基于 Seeed XIAO SAMD21 与 OLED 扩展板的智能手电筒设计

作者：Yifan Gao 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） 微控制器及其 XIAO 扩展板 实现的智能手电筒。系统以 3.7V 锂离子电池供电，使用扩展板集成的充电管理与电源系统，并通过 AO3400 N 沟道 MOSFET 驱动高功率 LED 阵列。借助 XIAO 扩展板上的 SSD1306 OLED 显示屏，手电筒可实时显示亮度百分比，并通过摇杆式按键实现四档光照模式（20%、40%、100%、关闭）的循环切换。本文从设计动机、硬件架构、电路设计、软件控制策略、机械结构和装配流程等方面，对该“过度工程”的智能手电进行系统性阐述。

Smart Flashlight with XIAO MCU

1 引言

在野外露营、户外探险和应急照明等场景中，便携式手电筒是必备工具。市售手电虽然种类丰富，但在以下方面仍存在局限：

亮度档位可定制性差；
不具备状态反馈（如电量或亮度信息）；
扩展性与可编程能力有限。

为满足个人露营需求，作者设计了这款 智能手电筒，目标包括：

具备多档亮度控制：支持不同环境下的照明需求；
可视化亮度信息：通过 OLED 显示亮度百分比与当前模式；
基于 XIAO 的可编程平台：便于日后扩展功能；
结构一体化：通过 3D 打印实现定制外壳。

项目使用了 XIAO SAMD21 开发板 + XIAO 扩展板 作为控制与电源核心，通过 MOSFET 驱动自制 2835 LED 阵列，实现高电流、大面积泛光的照明效果。

2 系统构成与总体架构

系统可分为以下几个部分：

控制与电源模块

XIAO SAMD21 M0 微控制器
XIAO 扩展板（含锂电充电电路、电源管理及 SSD1306 OLED）
3.7V、2000 mAh 锂离子电池

功率驱动模块

AO3400 N 沟道 MOSFET（SOT-23 封装）
MOSFET 栅极电阻：10 kΩ（0603 封装）
LED 阵列负载（8 颗 2835 白光 LED）

LED 光源模块

自制铜包板（LED Board）
8 颗 2835 封装白光 LED 并联
每对 LED 串联 5.6 Ω 电阻（2512 封装），用于限流

人机交互与结构件

XIAO 扩展板上的 SSD1306 OLED 显示屏
触发按键 – 摇杆式开关
3D 打印外壳（主壳体 + PCB 支架）

3 硬件设计与关键器件

3.1 主要器件清单

XIAO SAMD21 M0 开发板
XIAO Expansion Board（带 OLED 与充电电路）
3.7V 锂电池，容量约 2000 mAh
LED 白光 2835 封装 × 若干
5.6 Ω 电阻（2512）
AO3400 N 沟道 MOSFET（SOT-23）
10 kΩ 电阻（0603）
摇杆式按键（Push Button – Rocker Switch 风格）
若干导线、M2 螺丝
3D 打印外壳与 LED PCB 支架

3.2 控制与供电电路

本设计中，XIAO 扩展板同时承担：

锂电池充电与保护；
为 XIAO 与 OLED 提供稳定电源（约 3V/3.3V）；
对外提供 3V 电源端口，用于驱动 LED 负载（通过 MOSFET 控制）。

MOSFET 驱动配置

MOSFET 型号：AO3400 N 沟道 MOSFET
接线关系：

栅极（G）：通过 10 kΩ 电阻连接至 XIAO 的 D2 引脚；
漏极（D）：连接至 LED 负载的负极；
源极（S）：连接至扩展板 GND；

LED 负载正极：接 XIAO 扩展板的 3V 输出端。

这种典型的**低端开关（Low-side Switch）**结构，使得高电流从电源 → LED → MOSFET → 地构成闭合回路，微控制器仅通过控制栅极电压来开关或调制电流。

为什么必须使用 MOSFET？

普通 MCU I/O 引脚典型输出能力约为 20–30 mA，只适合驱动单颗小功率 LED。而本项目中的 LED：

采用 2835 封装白光 LED，高亮度，单颗电流可达 200–500 mA；
多颗并联后，整体电流可能达到 2 A 量级。

若直接用 XIAO 的 I/O 引脚驱动：

将远超引脚电流能力；
可能烧毁芯片或造成不稳定工作。

采用 MOSFET 作为开关器件，可以：

通过 I/O 提供极小的栅极驱动电流；
让 MOSFET 承担大电流的开关任务；
通过 PWM 信号控制栅极，实现亮度调节。

4 机械结构与 3D 建模

4.1 结构划分

手电主体采用两部分结构：

主机身（Main Body）

内部放置 XIAO 扩展板与锂电池；
右侧区域安装扩展板，使 OLED 可侧向可视；
上表面为摇杆开关安装位置，便于单手握持与拇指操作。

PCB 支架与灯头

前部为 PCB Holder，用于固定自制 LED 板；
整体与主机身螺丝连接，便于拆装维护。

建模使用 Autodesk Fusion 360 完成。

4.2 3D 打印参数

主体材料：紫色 PLA（主壳体），透明 PLA（LED Holder），以兼顾强度与透光效果；
打印参数参考：

喷嘴：0.4 mm
层高：0.2 mm

5 软件设计与控制逻辑

系统软件采用 Arduino 框架开发，主要包括两阶段：
1）简单开关测试； 2）最终多档亮度与 OLED 显示控制。

5.1 测试程序 1：单纯 MOSFET 开关验证

用于验证 MOSFET 驱动路径是否正常：

void setup() {  // 使用 D2 控制 MOSFET
  pinMode(2, OUTPUT);
}void loop() {  digitalWrite(2, HIGH);  // 打开 LED 负载
  delay(1000);  digitalWrite(2, LOW);   // 关闭 LED 负载
  delay(1000);
}

若 LED 能以 1 秒周期闪烁，则说明：

MOSFET 接线正确；
电源与 LED 负载路径正常；
MCU 控制输出无误。

5.2 主程序：多档亮度 + OLED 显示

主控逻辑：

使用一个按键（摇杆开关）切换模式；
模式按顺序循环：

模式 1：关闭（OFF）
模式 2：20% 亮度
模式 3：40% 亮度
模式 4：100% 亮度
模式 5：再次关闭（OFF）

OLED 以竖屏方式显示当前亮度百分比或“OFF”。

完整示例代码如下：

#include <Wire.h>#include <Adafruit_SSD1306.h>#include <Adafruit_GFX.h>#define OLED_WIDTH  128#define OLED_HEIGHT 64#define OLED_ADDR   0x3Cconst int switchPin = 1;  // 按键输入const int lightPin  = 2;  // MOSFET 栅极（PWM 输出）int lightMode = 1;        // 当前模式Adafruit_SSD1306 display(OLED_WIDTH, OLED_HEIGHT);void setup() {  pinMode(lightPin, OUTPUT);  pinMode(switchPin, INPUT_PULLUP); // 按键上拉输入
  digitalWrite(lightPin, LOW);

  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDR);
  display.clearDisplay();
}void loop() {  // 按键检测（简单版，未加去抖）
  if (digitalRead(switchPin) == LOW) {
    lightMode = lightMode + 1;    if (lightMode == 6) {
      lightMode = 1;
    }
  }  if (lightMode == 1) {    digitalWrite(lightPin, LOW);
    display.clearDisplay();
    display.setRotation(3);
    display.setTextSize(3);
    display.setTextColor(WHITE);
    display.setCursor(5, 55);
    display.println("OFF");
    display.display();    delay(500);
  }  else if (lightMode == 2) {    analogWrite(lightPin, 50);  // 约 20% 占空比
    display.clearDisplay();
    display.setRotation(3);
    display.setTextSize(3);
    display.setTextColor(WHITE);
    display.setCursor(5, 55);
    display.println("20%");
    display.display();    delay(500);
  }  else if (lightMode == 3) {    analogWrite(lightPin, 100); // 约 40% 占空比
    display.clearDisplay();
    display.setRotation(3);
    display.setTextSize(3);
    display.setTextColor(WHITE);
    display.setCursor(5, 55);
    display.println("40%");
    display.display();    delay(500);
  }  else if (lightMode == 4) {    analogWrite(lightPin, 255); // 全亮
    display.clearDisplay();
    display.setRotation(3);
    display.setTextSize(2);
    display.setTextColor(WHITE);
    display.setCursor(5, 55);
    display.println("100%");
    display.display();    delay(500);
  }  else if (lightMode == 5) {    analogWrite(lightPin, LOW);
    display.clearDisplay();
    display.setRotation(3);
    display.setTextSize(3);
    display.setTextColor(WHITE);
    display.setCursor(5, 55);
    display.println("OFF");
    display.display();    delay(500);
  }  // 可视需要添加短暂延时，避免多次触发
  // delay(200);}