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基于 Seeed XIAO 的锥形 RGB 氛围灯设计与实现

作者： 时间：2025-11-21 来源：
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摘要

本文介绍了一款基于 Seeed Studio XIAO SAMD21（XIAO M0） 与 WS2812 可编程 RGB LED 的便携式锥形 RGB 氛围灯。系统通过 定制 PCB + IP5306 电源管理 IC + 3D 打印外壳 实现电池供电、5V 升压与 LED 控制，并利用电位器实现灯光色彩（HUE）的连续调节。文章从结构设计、PCB 设计、焊接与组装流程、主控程序到最终光效表现进行完整说明，为基于 XIAO 与 NeoPixel 的 RGB 照明项目提供一个可复用的工程实现方案。

1 引言

可编程 RGB LED（如 WS2812 NeoPixel）在创客灯光、桌面氛围灯和交互式装置中应用广泛。其优势在于：

  • 单总线级联，硬件连线简单；

  • 支持逐点寻址，可实现丰富灯效；

  • 与 Arduino / XIAO / ESP 系列控制板高度兼容。

本文设计了一款 锥形结构 RGB 氛围灯（CONE LAMP）：

  • 使用 XIAO SAMD21 作为主控；

  • 使用自制 LED 板 + 电源板 PCB；

  • 采用 3.7V 锂电池 + IP5306 升压充电管理；

  • 外壳、灯体与 PCB 支架由 3D 打印 完成；

  • 通过 电位器旋钮调节灯光色调。

整个项目适合入门级创客实践，也可作为电源管理 + 可编程灯效 + 结构设计的综合教学案例。

2 系统总体结构

系统主要由以下几个部分构成：

  1. 电源与主控板（Power Board）

    • IP5306 电源管理 IC（升压 + 充电管理）

    • XIAO SAMD21 开发板

    • 电位器接口、LED 板接口

    • DC Barrel Jack 与拨动开关

  2. LED 板（RGB LED Board）

    • 多个 WS2812（NeoPixel）RGB LED

    • 每颗 LED 对应去耦电容

    • 若干 LED 板串联构成一个灯带，统一由单一数字引脚控制

  3. 电源部分

    • 3.7V 锂电池（约 2200–2900 mAh）

    • 由 IP5306 升压至 5V，为 XIAO 与 LED 供电

  4. 3D 打印结构件

    • 底座（Base）：容纳电池和电源板，集成电位器旋钮与开关、DC 接口

    • 锥形扩散罩（Cone Diffuser）：用于散射 LED 光线

    • RGB PCB 支架（上、下两件）：支撑 LED PCB 位于锥体内部

3 硬件与器件清单

3.1 核心元件

  • Seeed Studio XIAO SAMD21（XIAO M0）

  • WS2812 / NeoPixel RGB LED（采用环形或自制 LED 板）

  • IP5306 电源管理 IC

  • 3.7V 锂电池（约 2200–2900 mAh）

  • 电位器（用于调节颜色）

  • DC Barrel Jack（充电接口）

  • 摇臂开关 / Rocker Switch

  • 1 µF 电容

  • 10 kΩ 电阻

  • 1 µH 电感

  • 母座排针（用于 XIAO 与外部模块连接）

  • 3D 打印部件（底座、锥形罩、LED 支架、旋钮）

4 结构设计与 3D 打印

4.1 结构划分

锥形灯的结构主要分为两大部分：

  1. 底座（Base）

    • 内部容纳电池、Power Board

    • 预留开关、DC 接口、电位器安装孔

    • 上部设有用于固定 LED 支架的安装位

  2. 锥形扩散罩（Cone Diffuser）

    • 作为光学扩散件，包裹 LED 区域

    • 通过材质和厚度实现均匀散射效果

此外，设计了：

  • RGB PCB 支架：由上下两部分组成

    • 上部分用于四面固定 LED PCB

    • 下部分用于与底座连接

  • 电位器旋钮：外部用户交互件

4.2 建模与打印参数

  • 建模软件：Autodesk Fusion 360

  • 打印材料：

    • 白色 PLA：锥形扩散罩、支架等

    • 黄色 PLA：底座部分（视觉区分 + 风格设计）

  • 部分打印参数（示例）：

    • 喷嘴直径：0.6 mm

    • 填充率：20%

    • 层高：0.2 mm

5 PCB 设计与制作

整个系统的 PCB 设计分为两块：

5.1 电源板（Power Board）


主要功能：

  • 使用 IP5306 将锂电池的 3.7V 升压至稳定的 5V

  • 提供电池充电管理

  • 为 XIAO 与 LED 提供 5V 供电

  • 集成 XIAO M0 板的插座与接口引出

关键设计要点：

  • IP5306 常用于移动电源类应用，适合此类单电池升压场景；

  • 将 XIAO 的 5V、D0、D1、GND 等引脚通过排针引出，用于连接：

    • LED PCB（数据、供电、地）

    • 电位器（模拟输入）

  • 板上布置 DC Barrel Jack 与电池连接器（CON2），并通过摇臂开关实现整机电源控制。

5.2 LED 板（RGB LED Board）

LED 板为多块相同的 RGB 单元板，每块板上：

  • 8 颗 WS2812 LED 串联；

  • 每颗 LED 的 VCC–GND 间各自并联一个去耦电容，提高供电稳定性；

整个灯体：

  • 由 4 块 LED 板构成，理论总计 32 颗 LED；

  • 四块板的 DIN → DOUT 串接，构成单总线数据链；

  • 整个链路通过 XIAO 的单一数字引脚驱动。

PCB Layout 同样在 Fusion 360 中构建，再导入 PCB CAD 软件进行轮廓与细节处理，之后提交至工厂打样。

5.3 PCB 生产与装配服务

LED 板与电源板通过 Seeed Studio Fusion PCB 服务打样：

  • 白色阻焊层 + 黑色丝印，用于增强视觉效果与可读性；

  • 打样周期较短，成本低，适合作为小批量原型制作与验证；

  • 后续若量产，可进一步使用其 PCBA 服务与商业化支持。

6 PCB 装配流程

整个硬件装配分为 LED 板装配 与 电源板装配。

6.1 LED 板装配

  1. 使用锡膏点胶针头在各焊盘上逐点涂布锡膏；

  2. 使用 ESD 镊子依次贴装 WS2812 LED 与电容；

  3. 将 PCB 放置在小型回流热板上，从底部加热至锡膏熔化温度；

  4. 冷却后检查焊点质量。

LED 板功能测试

  • 按既定原理图将 LED 板串联连接；

  • 使用跳线将其与 XIAO 开发板连接；

  • 使用 Adafruit_NeoPixel 示例代码 对 LED 进行简单跑灯测试：

    • 引脚：D0

    • LED 数量：32

    • 将延时由 500 ms 降低到 100 ms 或更小，以减小闪烁感并延长 LED 寿命。

测试示例代码（节选）：

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIN       0
#define NUMPIXELS 32

Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
int delayval = 100;

void setup() {
  pixels.begin();
}

void loop() {
  for(int i=0; i<NUMPIXELS; i++){
    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,150,0)); // 绿色
    pixels.show();
    delay(delayval);
  }
}

6.2 电源板装配

  1. 使用锡膏点胶对 IP5306、电容、电阻、电感等焊盘涂覆锡膏；

  2. 贴装 IP5306 及其他 SMD 元件；

  3. 在小型热板上进行回流焊；

  4. 焊接 THT 器件，包括：

    • XIAO 底座排针

    • 电池连接器

    • DC Barrel Jack

    • 摇臂开关等

电源板测试

  1. 连接锂电池到电源板 CON2 接口；

  2. 打开摇臂开关，确认电源板电源指示灯点亮；

  3. 测量 IP5306 输出端电压，应稳定在 5V 左右；

  4. 将 DC 端口通过改装的 USB–Barrel 线与手机充电器连接，验证电池充电功能。

7 系统接线与主控程序

7.1 接线说明

  • LED 板串联逻辑：

    • XIAO → D0 → 第一块 LED 板 DIN

    • 第一块 DOUT → 第二块 DIN

    • 第三块、第四块依次类推

  • 所有 LED 板的 VCC → 电源板 5V，GND → 公共地；

  • 电位器三端：

    • 一端接 5V，一端接 GND，中间滑动端接 XIAO 的模拟输入（A0）；

  • 锂电池、摇臂开关、DC 接口按原理图连至电源板。

7.2 主控代码（带电位器色彩控制）

最终版本代码实现功能：

  • 使用电位器读数控制 RGB 色调（HUE 映射）；

  • 通过 Adafruit_NeoPixel 库驱动全部 32 颗 LED；

  • 旋钮旋转 → 灯光颜色平滑过渡；

代码如下：

#include <Adafruit_NeoPixel.h>

#define PIN            1   // NeoPixel 数据引脚
#define NUMPIXELS      32  // LED 数量

Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

int potPin = 0;    // 电位器连接的模拟引脚
int potValue = 0;  // 存储电位器读数

void setup() {
  strip.begin();
  strip.show();                 // 初始化为全灭
  randomSeed(analogRead(0));    // 初始化随机数种子（可选）
}

void loop() {
  potValue = analogRead(potPin);           // 读取电位器

  // 将电位器 0–1023 映射到 0–255 的色彩范围
  int hue = map(potValue, 0, 1023, 0, 255);

  // 简化实现：将 hue 作为 R 通道，B 固定为 255，可呈现蓝–紫系变化
  for (int i = 0; i < strip.numPixels(); i++) {
    strip.setPixelColor(i, strip.Color(hue, 0, 255));
  }

  strip.show();    // 更新灯带显示
  delay(100);      // 略加延时，提高观感
}

在实际工程中，你可以将 hue 作为 HSV 模型中的色调值，通过自定义函数将其转换为 RGB，实现更自然的全色相过渡。

8 3D 装配流程

8.1 RGB PCB 支架装配

  1. 将已焊接好的 LED PCB 从测试线束中拆下；

  2. 使用强力胶（如瞬干胶）将 LED 板固定在支架四侧；

  3. 使用 M2 螺丝将支架上部与下部连接，形成整体 LED 支撑结构。

8.2 底座装配

  1. 将电源板固定在底座内部的预留支撑柱上；

  2. 安装：

    • 摇臂开关

    • DC Barrel Jack

    • 电位器（并安装 3D 打印旋钮）

  3. 使用 M2 螺丝固定电源板与结构件。

8.3 整体组合

  1. 使用 M2 螺丝将 LED 支架组件与底座连接；

  2. 根据前述接线方案完成 LED 板、电位器、电池与电源板的连线；

  3. 将锂电池通过线束连接到电源板 JST 接口，并将电池放入底座电池仓；

  4. 合上锥形扩散罩，完成最终装配。

9 光效表现与优化建议

完工后，锥形扩散罩可有效：

  • 吸收与散射 LED 点光源；

  • 在暗光环境下呈现柔和的面光源效果；

  • 结合蓝–紫系色彩，形成舒适的氛围灯光。

为了进一步提升光学表现，可考虑：

  • 使用 半透明 PLA 或 透明树脂（SLA 打印） 制作扩散罩，提高透光率；

  • 在扩散罩内壁增加磨砂或纹理，以改善散射均匀性；

  • 替换为 HSV → RGB 色彩映射，实现完整色相旋转控制；

  • 修改主控代码，使：

    • 旋钮控制某一通道（例如亮度或饱和度）；

    • 或者在旋钮调节基础上叠加随机渐变效果，实现动感灯效。

10 结语

本文从电源设计、PCB 设计、3D 结构设计、装配流程到固件实现，完整展示了一个基于 Seeed XIAO SAMD21 与 WS2812 RGB LED 的锥形氛围灯实现方案。项目兼具：

  • 结构紧凑：XIAO 体积小，便于嵌入型设计；

  • 供电灵活：单节锂电 + IP5306，集成升压与充电；

  • 灯效可编程：基于 NeoPixel 库，易于扩展灯效；

  • 交互自然：通过电位器实现连续色彩调节；

  • 制造可复用：3D 打印 + 标准化 PCB，适合重复制作与教学。
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