基于 Arduino Mega 2560 的全尺寸电动弹珠机设计与实现
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摘要
本文介绍了一台以 Arduino Mega 2560 为核心控制器的全尺寸电动弹珠机（Pinball Machine）。整机采用木制机柜结构，配合市售弹珠机标准配件（弹板、弹簧、挡片、Pop Bumper 等），通过 Arduino 实现 得分逻辑、灯光控制、目标判定以及游戏流程管理。项目从机械结构、电子系统到软件逻辑均由作者自行设计与实现，历时约六个月间断完成，是一个集木工、机械设计、电力电子与嵌入式编程于一体的复杂系统工程。
文中详细说明机柜结构尺寸、可调节机脚设计、弹珠台倾角控制、24V 电源与 5V 逻辑电路隔离、Pop Bumper 高压检测的电压分压方案，以及基于 Arduino Mega 的得分与游戏逻辑实现方法，可为有意自制弹珠机的工程爱好者提供系统参考。
1 项目概述
作者在项目开始时，几乎找不到完整的“如何从零自制弹珠机”的资料，因此采用了如下策略：
使用 备用胶合板 作为原型试验平台：
每个机构（Flipper、Slingshot、Pop Bumper、目标靶等）都先在测试板上安装与调试，待可靠后才移植到正式机台。采用 标准弹珠机配件 + 自制木柜 的混合方式：
机柜、上盖、内部支撑结构自己木工制作；弹板、Pop Bumper、目标靶等则尽量使用成熟的替换件。逻辑控制全部交给 Arduino Mega 2560：
使用其丰富的数字与模拟 I/O，既负责采集各类开关信号，又负责控制灯光与得分显示。
结果是一台结构接近商用尺寸的弹珠机，但游戏规则与灯光逻辑完全可编程。
2 机械结构设计
2.1 机柜结构
机柜采用 橡木贴面胶合板 制作，基本尺寸（单位：英寸）如下：
前后面板：20 高 × 23 宽
侧板：20 高 × 47 长
台面（Playfield）：22 宽 × 42 长
设计要点：
结构连接方式
板材采用斜接（miter）切割，使用饼干榫（biscuit joiner）与木胶拼接；
也可用暗扣螺丝 + 木胶组合，保证强度——弹珠机在游戏中会承受频繁冲击。
底部搁板与电源布置
不与侧板胶合，以适应木材膨胀收缩；
用于放置主电源、LED 灯电源等模块。
在底部上方 1 英寸位置开 ¾ 英寸宽的榫槽（dado），做一个“浮动”搁板：
台面与前部空腔
前方预留约 3 英寸空间，用于布线、安装弹簧拉杆（Plunger）和前部灯光等；
Playfield 长度 42 英寸，明显短于机柜 47 英寸：
台面通过侧板上的小木块支撑，距离上沿约 4 英寸；
维护时，只需打开上盖，将台面整体抬出并翻转即可检修底面机构与线束。
2.2 倾角与机脚设计
弹珠机的“节奏”很大程度取决于台面的倾角，通常在 1°–7° 之间。角度越大，球速越快，游戏越刺激。
为方便调节倾角，作者自制了可调机构的木质机脚：
使用市售木质桌腿，底部钻入约 12 英寸深孔；
在孔底用双组份环氧胶固定 3/8 英寸 Tee Nut（内螺母），注意避免胶体污染螺纹；
将 12 英寸长的 3/8 英寸螺纹杆旋入腿内，末端安装可调水平脚（Leveling Foot），中间加锁紧螺母；
橱柜底部通过金属腿板（Table Leg Mounting Plate）与木腿连接。
调节方法：
松开锁紧螺母 → 旋入 / 旋出螺杆以升降台面 → 锁紧螺母固定。
2.3 上盖与透明面板
上盖（Lid）与机柜同外形尺寸，材质为橡木框架：
上侧与两边框宽约 1.5 英寸；
底边加宽至 5 英寸，用于遮挡台面与机柜间的间隙；
内侧开槽嵌入 亚克力板（Plexiglas）：
相比玻璃更轻、更安全，也更易切割；
采用暗扣螺丝（Pocket Screw）装配，便于今后更换亚克力板；
内侧安装一圈彩色 LED 灯带，用于装饰；
上盖与机柜通过 钢琴合页（Piano Hinge） 铰接，并在两侧开槽嵌入，提升外观与强度。
机柜背面还固定一条 电源插排，所有电源统一插入，便于通过一个总开关控制整机上电；同时预留一条 USB 延长线，方便在不拆台面的前提下更新 Arduino 程序。
3 控制与电子系统
3.1 Arduino 控制逻辑概述
整机由一块 Arduino Mega 2560 控制，主要承担四大任务：
采集开关与传感器状态
目标靶（Target Switch）
滚轮开关（Rollover Switch）
Pop Bumper 开关（通过电压分压）
弹球发射道开关
压力传感器（用于监测丢球）
控制灯光与效果
目标靶对应灯
滚轮灯
Pop Bumper 灯
Game Over 时全场闪烁效果
得分与规则管理
各类元件命中得分；
所有同类元件被依次命中后，触发灯光全闪与分值提升（倍乘）；
记录当前球数、是否 Game Over 等。
LCD 显示
当前得分（Score）
当前球号（Ball）
使用一个简单串口 LCD 显示：
3.2 开关输入与上拉配置
大部分目标开关采用“输入 + 内部上拉”的方式接入 Arduino：
pinMode(pinNumber, INPUT_PULLUP);
接线方式：
一端接 Arduino 数字引脚；
另一端接 GND；
开关未触发时引脚为 HIGH（被上拉）；
开关闭合（被弹珠撞击）时，引脚被拉低为 LOW。
在代码中，检测到输入由 HIGH → LOW，即认为该目标被击中。
3.3 Pop Bumper 与高压检测：电压分压
与普通目标与滚轮使用 Arduino 5V 供电不同，Pop Bumper 需要强劲的冲击力，因此采用独立的 25V–24V 电源 驱动线圈。Pop Bumper 的“触发开关”处于高压侧，不能直接接入 Arduino。
解决方案：
将 Pop Bumper 开关输出接入 电压分压电路；
通过适当的电阻比，将高压侧信号衰减到不超过 5V；
分压后的信号接入 Arduino 的 模拟输入端口（Analog Input）。
原因：
即使在未触发情况下，分压器也会漏少量电流，导致信号有一定电压噪声；
使用模拟口可以设置阈值，如
analogRead(i) > 500，更容易区分“真触发”与“背景泄漏”。
3.4 球的丢失检测：力传感器
系统还使用一个小型 力/压力传感器（Force Sensor），通常布置在“落球区”或回收通道。当球掉回底部时，会压到传感器：
用力传感器读数作为“丢球”判定依据；
同时配合发射道开关（上、下发射口），区分“球刚被射出”与“球已丢失”；
每次检测到丢球，球数（Ball）+1；
当 Ball 达到最大值（如 5 球），触发 Game Over 流程。
3.5 分数与效果逻辑（来自示例代码）
原文给出了完整的 Arduino 控制代码，核心思想如下：
变量设计
Score：当前得分Target,Pop,Roll：三类目标的基础得分值Targets[8],Rolls[3],Pops[4]：记录每个目标是否被命中Ball：当前球号（1–5）Flash：灯光闪烁延时Pressure：力传感器触发阈值目标靶（Targets）处理流程
所有目标灯闪烁若干次；
灯全部熄灭；
增加 Target 的分值（
Target = Target * 5），提高之后的得分奖励。循环扫描 8 个目标输入（数字引脚 2–9）；
某个为 LOW → 标记该 Target 已命中、增加
Score += Target、点亮对应灯；若 8 个目标全部命中（
Sum == 8）：Rollovers 处理
对应灯全闪；
分值倍乘并清零标记（代码中示例为
Score = Score * 2,Roll = Roll * 10）。类似逻辑，扫描 3 个 Rollover 开关；
全部命中后：
Pop Bumper 处理
所有 Pop 灯闪烁；
分值提升（
Pop = Pop * 2），形成累进奖励。标记该 Pop；
增加
Score += Pop；点亮对应灯；
使用
analogRead(i)读取 4 个模拟输入；若某一路超过阈值（>500），认为 Pop Bumper 被触发：
当 4 个 Pop 全部被触发后：
球数与 Game Over 判定
若在某次检测中读数持续高于
Pressure且Ball == 5，则：依次闪烁 Rollovers、Pop Bumpers 与 Targets 所有灯；
在 LCD 显示“Game Over!!!”。
若这是本球首次检测到，
Ball++，并设置Shot标记；超出设定最大球数（如
Ball == 6）时，清零分数与倍率参数重新开始。通过发射通道下方两个开关（下、上射出），当球通过时：
通过力传感器读数判断球是否落入最终回收区：
LCD 显示输出
清屏 → 打印当前得分 → 换行显示
Ball = x；通过 SoftwareSerial 驱动串口 LCD；
当
Score发生变化时：TxPin引脚用于向 LCD 发送串口数据。
4 电源与配线
4.1 24V 电源系统
弹珠机中的电磁组件（弹板、Slingshot、Pop Bumper 等）需较大的瞬时电流，故使用 24V 开关电源：
24V 电源主要供给：
弹板线圈（Flipper Assembly）
Slingshot 组件
Pop Bumper 线圈
24V 输出先接至安装在台面底部的 配电铜排（Bus Bar），再由铜排为各组件分配电源，这样布线更整齐、维护方便。
对于 Pop Bumper 等高压部分，需要特别注意：
若改用更高电压电源（>25V），则现成的电压分压模块可能不适用，需自行设计分压电路，确保 Arduino 端电压不超过 5V。
4.2 线径选择
根据原文经验：
接 24V 高压线圈类负载：约 16 AWG 线材（粗线，承载大电流）；
接 Arduino I/O 与传感器信号：约 22 AWG 细线即可。
5 关键弹珠机构与配件
5.1 弹簧拉杆（Plunger）
Plunger 组件为标准件，从专业弹珠配件商处购入。安装流程：
在机柜前板上钻孔，使 Plunger 穿出前面板；
内部用螺丝固定；
高度对齐：
将直尺沿台面延伸至前内侧板；
在该点处标记 Plunger 的中心位置；
垂直方向上使 Plunger 中心略高于弹珠直径的一半（标准弹珠为 1 1/16 英寸）。
5.2 台面与装饰
台面使用 1/4 英寸的桦木贴面胶合板。为提升视觉效果，作者选取了一张 NASA 的太空照片作为背景：
在板面喷涂喷胶（Contact Adhesive）；
将海报覆于板面，刮平气泡；
背面修剪多余边缘，使整体尺寸精确符合 22W × 42L。
5.3 Flippers（弹板）
弹板组件包括：
Flipper 机械总成
Flipper Bat（塑料挡板）
Flipper Switch（高压开关）
侧面按钮
购买后通常没有任何接线说明，需要参考弹珠维修资料中的典型接线方式（原文链接中给出示意图）。核心要点：
线圈通常包含高阻/低阻两组绕组，用于启动与保持；
开关结构在按钮与线圈之间，配合机械角度限制，实现可靠回弹。
5.4 Slingshots（侧击机构）
Slingshot 组件为弹珠经过时会被“侧推”的机构：
需要完整的 Slingshot Assembly、支撑销与专用橡胶圈；
安装在 Flipper 上方两侧，形成典型的下方区域拱形布局；
底部布线同样接至 24V 总线与 Arduino 触发信号。
作者还自己制作了 金属防护栏（Rails）：
使用家居店购买的镀铬钢丝（原用途为草坪标记线）；
按需切割、弯折成形；
在台面钻孔后，用环氧胶固定。
5.5 Pop Bumpers
Pop Bumper 由底座、线圈、顶盖、支撑杆与触发轴组成：
从上方看为一个白色圆盘；
当球撞入圆盘时，盘面被压下，带动中心轴下移；
轴底部触发叶片开关，进而驱动线圈通电；
线圈带动金属环向下拉，向上反弹时将球弹回。
安装时需在台面钻三孔：
两个用于支撑杆固定；
一个用于中心轴通过与触发叶片开关。
5.6 目标靶（Targets）、Rollovers 与灯具
目标靶：立式靶板，球撞击后触发后方微动开关；
Rollover Switch：嵌在台面上的小金属片或塑料结构，球滚过即触发；
LED Lamp：用于标记目标状态与装饰。
接线方式统一：
一端接 Arduino 输入（或输出控制灯）；
一端接地或电源；
通过 Mega 2560 的数字口进行采集与控制。
6 总结与展望
本文系统介绍了一台 Arduino 控制的自制全尺寸弹珠机 的设计实现过程。项目的特点在于：
结构工程：
采用标准尺寸木柜结构，使用可调机脚控制倾角；
台面可整体抬出翻转，便于维护与调试。
电子与电源架构：
使用 24V 高压系统驱动线圈部件；
使用电压分压将 Pop Bumper 的高压信号安全地引入 Arduino；
将高压总线分发至配电铜排，提高布线整洁性。
逻辑控制与玩法扩展：
基于 Mega 2560 的多路数字与模拟输入输出，实现完整得分、倍分、全亮闪烁、Game Over 等玩法；
利用力传感器判断丢球，使游戏流程自动化；
LCD 显示当前得分与球号，增强交互性。
作者也指出，一旦开始搭建，你很可能会不断添加新元素（声效、更多灯效、奖励关卡等），但有了本文所述的结构与控制架构，后续扩展将更加容易。
代码：
const int TxPin = 17;
long Score = 0;
long OldScore = 0;
long Target = 1;
long Pop = 1;
long Roll = 10;
int Targets[8];
int Rolls[3];
int Pops[4];
int Milli = 10;
int Sum = 0;
int Flash = 100;
int Ball = 0;
int i=0;
int Shot = 0;
int Lost = 0;
int Pressure = 1024;
#include <SoftwareSerial.h>;
SoftwareSerial mySerial = SoftwareSerial(255, TxPin);
void setup() {
/* Words without an s are the value achieved by interacting with a device.
* Works with an s keep track of which individual ones were interacted with.
* The latter is needed to determine when all have been hit and the value needs upgrading
* and the lights need turning off.
*/
pinMode(TxPin, OUTPUT);
digitalWrite(TxPin, HIGH);
mySerial.begin(9600);
mySerial.write(12); // Clear
mySerial.write(17); // Turn backlight on
//target inputs
pinMode(2,INPUT_PULLUP);
pinMode(3,INPUT_PULLUP);
pinMode(4,INPUT_PULLUP);
pinMode(5,INPUT_PULLUP);
pinMode(6,INPUT_PULLUP);
pinMode(7,INPUT_PULLUP);
pinMode(8,INPUT_PULLUP);
pinMode(9,INPUT_PULLUP);
//rollover inputs
pinMode(10,INPUT_PULLUP);
pinMode(11,INPUT_PULLUP);
pinMode(12,INPUT_PULLUP);
//lower ball shot switch
pinMode(15,INPUT_PULLUP);
//upper ball shot switch
pinMode(16,INPUT_PULLUP);
//lcd output
pinMode(17,OUTPUT);
//target lights, respective
pinMode(32,OUTPUT);
pinMode(33,OUTPUT);
pinMode(34,OUTPUT);
pinMode(35,OUTPUT);
pinMode(36,OUTPUT);
pinMode(37,OUTPUT);
pinMode(38,OUTPUT);
pinMode(39,OUTPUT);
//rollover lights, respective
pinMode(40,OUTPUT);
pinMode(41,OUTPUT);
pinMode(42,OUTPUT);
//pop bumper lights
pinMode(50,OUTPUT);
pinMode(51,OUTPUT);
pinMode(52,OUTPUT);
pinMode(53,OUTPUT);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
//If a pull-down resistor is used, the input pin will be LOW when the switch is open and HIGH when the switch is closed.
//check if a target was hit
//****** Targets *****
for (int i=0; i<8; i++){
if (digitalRead(i+2) == LOW){
//Target activated
Targets[i]=1;
Score = Score + Target;
//turn on Target light
digitalWrite(i+32,HIGH);
//delay so as not get multiple points for one hit
delay(Milli);
break;
}
}
Sum = 0;
for (int i=0; i<8; i++){
Sum = Sum + Targets[i];
}
if (Sum == 8){
//all Targets lit, so flash and then turn off.
for (int j=0; j<3; j++){
for (int i=0; i<8; i++){
digitalWrite(i+32, LOW);
}
delay(Flash);
for (int i=0; i<8; i++){
digitalWrite(i+32, HIGH);
}
delay(Flash);
}
for (int i=0; i<8; i++){
digitalWrite(i+32, LOW);
Targets[i]=0;
}
delay(Flash);
//Multiply target value by 10
Target = Target * 5;
//goto Skip;
}
// *********** Rollovers *********
for (int i=0; i<3; i++){
if (digitalRead(i+10) == LOW){
//rollover activated
Rolls[i]=1;
Score = Score + Roll;
//turn on rollover light
digitalWrite(i+40,HIGH);
//delay so as not get multiple points for one hit
delay(Milli);
break;
}
}
Sum = 0;
for (int i=0; i<3; i++){
Sum = Sum + Rolls[i];
}
if (Sum == 3){
//all rollovers lit, so flash and then turn off.
for (int j=0; j<3; j++){
for (int i=0; i<3; i++){
digitalWrite(i+40, LOW);
}
delay(Flash);
for (int i=0; i<3; i++){
digitalWrite(i+40, HIGH);
}
delay(Flash);
}
for (int i=0; i<3; i++){
digitalWrite(i+40, LOW);
Rolls[i]=0;
}
delay(Flash);
//Multiply score by 2
Score = Score * 2;
Roll = Roll * 10;
//goto Skip;
}
//********** Pop Bumpers **********
for (int i=0; i<4; i++){
if (analogRead(i) > 500){
//pop activated
Pops[i]=1;
Score = Score + Pop;
//turn on pop bumper light
digitalWrite(i+50,HIGH);
//delay so as not get multiple points for one hit
//mySerial.print(analogRead(i));
//mySerial.print(" ");
delay(Milli);
break;
}
}
Sum = 0;
for (int i=0; i<4; i++){
Sum = Sum + Pops[i];
}
if (Sum == 4){
//all pop bumpers lit, so flash and then turn off.
for (int j=0; j<3; j++){
for (int i=0; i<4; i++){
digitalWrite(i+50, LOW);
}
delay(Flash);
for (int i=0; i<4; i++){
digitalWrite(i+50, HIGH);
}
delay(Flash);
}
for (int i=0; i<4; i++){
digitalWrite(i+50, LOW);
Pops[i]=0;
}
delay(Flash);
//Multiply target value by 10
Pop = Pop * 2;
//goto Skip;
}
Skip:
//Determine ball number
if (digitalRead(15) == LOW){
//ball hit lower alley switch
//if not already done so, increase Ball
if (Shot == 0){
//Set Lost = 0 since not on pressure pad
Lost = 0;
Pressure = analogRead(7) + 20;
//set OldScore so as to reprint ball value on LCD
OldScore =-1;
Ball = Ball + 1;
if (Ball == 6){
Ball = 1;
Score = 0;
Target = 1;
Roll = 1;
Pop = 1;
}
Shot = 1;
}
}
if (digitalRead(16) == LOW){
//ball hit lower alley switch
//if not already done so, increase Ball
if (Shot == 0){
//Set Lost = 0 since not on pressure pad
Lost = 0;
Pressure = analogRead(7) + 15;
//set OldScore so as to reprint ball value on LCD
OldScore =-1;
Ball = Ball + 1;
if (Ball == 6){
Ball = 1;
Score = 0;
Target = 1;
Roll = 1;
Pop = 1;
}
Shot = 1;
}
}
if (analogRead(7) > Pressure){
//ball on pressure pad
Shot = 0;
if (Lost == 0){
//mySerial.print(analogRead(7));
//Score = Score + 100;
Lost = 1;
if (Ball == 5){
//Game Over
//flash rollovers and then turn off.
for (int j=0; j<3; j++){
for (int i=0; i<3; i++){
digitalWrite(i+40, LOW);
}
delay(Flash);
for (int i=0; i<3; i++){
digitalWrite(i+40, HIGH);
}
delay(Flash);
}
for (int i=0; i<3; i++){
digitalWrite(i+40, LOW);
Rolls[i]=0;
}
// flash pop bumpers and then turn off
for (int j=0; j<3; j++){
for (int i=0; i<4; i++){
digitalWrite(i+50, LOW);
}
delay(Flash);
for (int i=0; i<4; i++){
digitalWrite(i+50, HIGH);
}
delay(Flash);
}
for (int i=0; i<4; i++){
digitalWrite(i+50, LOW);
Pops[i]=0;
}
//Flash Targets and then turn off.
for (int j=0; j<3; j++){
for (int i=0; i<8; i++){
digitalWrite(i+32, LOW);
}
delay(Flash);
for (int i=0; i<8; i++){
digitalWrite(i+32, HIGH);
}
delay(Flash);
}
for (int i=0; i<8; i++){
digitalWrite(i+32, LOW);
Targets[i]=0;
}
mySerial.write(12); // Clear
delay(5);
// Required delay
mySerial.print(Score); // First line
mySerial.write(13); // Form feed
mySerial.print("Game Over!!!"); // Second line
}
}
}
//print to LCD
if (Score != OldScore){
mySerial.write(12); // Clear
delay(5); // Required delay
//mySerial.print(analogRead(7));
mySerial.print(Score); // First line
mySerial.write(13); // Form feed
mySerial.print("Ball = "); // Second line
mySerial.print(Ball);
OldScore = Score;
}
}
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