機械植物成長記手工電子DIY教程

製作時間:5小時 製作難度:★★★★☆ GEEK指數:★★★★☆

在這裡我們將為大家帶來一棵機器植物幼苗，它將通過微控制器的“大腦”來檢測環境的變化而成長，到了一定時候還會開花。聽起來不錯吧？整個專案都在一個普通的花盆中完成，而多虧了我們的節能設計，僅僅依靠一組五號電池，這棵小小的植物持續數個月甚至數年都能生長開花——也就是說，你可以把它放在你的窗臺上，並在很長的一段時間內感受開花時的喜悅~

 

 

1   先來看看這個原理● 我們請來了《Make》雜誌的插畫師 Damien Scogin 畫了這幅原理圖，好讓朋友們更好地理解這個機械植物的設計結構和工作原理。哈哈，夠酷吧？如果已經動心，就馬上開始動手吧！

 

2   製作機械植物的“大腦” 

2.1   工具和材料● PICkit 3 程式設計器(用於給處理器程式設計)

● 電烙鐵（帶焊錫）

● 剪線鉗

● （可選）1/16 英寸鑽頭電鑽

○ 18lf25k22 處理器（Digi-Key 商品編號 PIC18LF25K22-I/SP-ND）

○ 28 引腳的晶片插座（Digi-Key 商品編號 3M5480-ND）

○ 0.1 英寸接頭（Digi-Key 商品編號 A26509-40-ND）

○ 10 千歐電阻器（Digi-Key 商品編號 10.0KASCT-ND）

○ 220 歐姆電阻器（Digi-Key 商品編號 220QBK-ND）

○ 1 微法旁路電容器（Digi-Key 商品編號 P5174-ND）

○ 32.768 千赫茲晶振（Digi-Key 商品編號 631-1205-ND）

○ 2x 22 皮法電容器（Digi-Key 商品編號 VY1220K31U2JQ63V0）

○ N 溝道場效應電晶體（Digi-Key 商品編號 NTD4960N-35GOS-ND）

○ 3 毫米紅色發光二極體（Digi-Key 商品編號 754-1218-ND）

○ 22 美國線規實心導線

○ 改裝過的 3 節五號電池倉（Digi-Key 商品編號 SBC331AS-GRN-ND）

○ 3 節鋰離子電池（Digi-Key 商品編號 N602-ND）

○ 原型電路板（RaidoShack 商品編號 276-170）

○ 連續旋轉伺服電機（Digi-Key 商品編號 900-00008-ND）

 

2.2   電路圖一覽 

2.3   a. 晶片插座● 第一步是將晶片底座安置在電路板上。這個底座讓我們能夠插上微控制器，而不必將其焊死，萬一遇上個什麼原因需要把它換掉就會很方便了。

 

2.4   b. 佈置接頭和電線● 我們將使用電路板右側的一排連線端子（在 Radio Shack 電路板上標有叉狀記號）供電，而左側一排接地。

● 將晶片插座的 20號引腳和程式設計器介面的 2 號引腳用導線連在供電端。

 

2.5   c. 地線● 接地時可有些講究了，因為我們需要從電路板的左邊拉一根線到晶片底座的右邊。從接地端連出一根導線到程式設計器接頭的3 號引腳，然後再繼續連到晶片插座的 19 號引腳。（如圖）

 

2.6   d. 復位線● 接著，我們需要將復位線連到處理器上，這樣程式設計器才能正常工作。

● 從晶片插座的 1 號引腳引一根導線到程式設計器接頭的 1 號引腳。

● 串聯一個 10 千歐電阻器再連到供電端。這樣一來，當程式設計器連好了以後，它就能通過電阻器重置微控制器，而當它斷開連結時，微控制器就會持續工作。

 

2.7   e. 時鐘電路● 在這個專案中，我們將使用一個外部晶振來維持時鐘頻率，以確保這棵植物能維持正確的時間。

● 將晶振接在微控制器的 11 號引腳和 12 號引腳之間（正負極無所謂）。

● 在這兩個引腳各接一個 22 皮法的電容器，然後都接地。

 

2.8   f. 狀態指示 LED 燈● 我們來加上個狀態指示 LED 燈，好讓我們瞭解這個工程是否在正常工作。

● 從晶片底座的 2 號引腳連上一個 220 歐姆電阻器，接在原型電路板的閒置埠上。

● 從該埠連上一個發光二極體，再連到接地端，請務必確保發光二極體的負極（短線）接地。

 

2.9   g. 旁路電容器● 現在，我們在晶片底座的 19 號引腳和 20 號引腳之間接上一個 0.1 微法的電容器。

● 請注意在這一步中，極性方向是有要求的。請確保負極接地，正極接電源。

 

2.10   h. 測試● 讓我們先撇開電烙鐵，測試一下我們的電路是否能正常工作吧！

● 將微控制器插入晶片插座，然後將程式設計器和程式設計器接頭連起來（請注意程式設計器的 6 號引腳並沒有連線上，因為它在這個電路中並不需要）。

● 從 這裡 下載程式程式碼（壓縮檔案），瀏覽一下，然後將它燒錄到微控制器中。如果一切正常，狀態指示 LED 燈就應該每隔一秒一明一滅了。

 

2.11   i. 伺服電機接頭● 我們最後需要在專案中加入的東西是用於控制伺服電機的電路。

● 將電晶體靠近晶片插座，安置在原型電路板上（在它們之間留出一排即可），請確保電晶體的 1 號引腳離晶片插座最近。

● 將伺服電機接頭安置在電晶體的旁邊，還是空出一兩排來。

 

2.12   j. 伺服電機電路● 我們需要將微控制器和伺服電機之間的電路連好。我們要把兩個部分連入電路——用於控制伺服電機電源開關的電晶體，和連線伺服電機的伺服電機接頭。

● 讓我們先來連線電晶體。將微控制器的 13 號引腳和電晶體的 1 號引腳（基極）連起來。這樣微控制器就能夠給電晶體通電了。

● 為了預防意外，我們要在電晶體的 1 號引腳和地線之間連入一個 10 千歐的電阻器。這個電阻器作為下拉電阻，保證電晶體不會在微控制器引腳斷開連線後被意外導通。

● 我們要從電晶體的 3 號引腳（發射極）引一根導線接地。

● 從電晶體的 2 號引腳（集電極）引一根導線和伺服電機接頭的 3 號引腳（地線）連線。電晶體就能通過斷開其接地連線來控制伺服電機的關斷了。

● 從微控制器的 14 號引腳引一根導線和伺服電機接頭的 1 號引腳（訊號線）連線。微控制器就能通過這條線生成命令訊號，來控制伺服電機的狀態了。

 

2.13   k. 電池● 我們組裝機械植物大腦的下一步是連線一個改造過的電池倉。

● 這裡需要連三根線——地線（黑色）需要和接地端連線，+4.5 伏線（紅色）要和伺服電機接頭的 2 號引腳連線，而 3 伏（綠色，或者你所用的任何顏色）和供電段連線。

● 你可以直接把這幾根線焊死，不過這次連線中更可靠的方法是將絕緣的導線穿過電路板上的一個一個孔洞，以消除應變，然後再把末端焊在穿孔纖維板上。

● 你也許需要把孔洞擴大才能讓絕緣導線穿過，你可以用1/16 英寸鑽頭電鑽搞定。

 

2.14   l. 觸控感測器線● 製作機械植物大腦的最後一步是加上一根觸控感測器的導線。

● 由於 PIC 內建了很好的充電時間測量單元（CTMU），通過一些巧妙的程式和單根導線就能夠用它檢測人體觸控。

● 將一小段導線（6 英寸較好）連在微控制器的 3 號引腳上。在導線的另一端剝開半英寸長的絕緣套，留出一段金屬絲作為裸露的觸控開關。以後我們會把它連在一個更像樣的按鈕上。

 

2.15   m. 完成！● 現在就是驗證成果的時刻了！請反覆檢查你的接線，確保無誤，然後連上伺服電機，讓電池開始供電。

● 狀態指示燈應該會繼續每隔一秒一明一滅，而伺服電機應該會向著一個方向旋轉，並在感測導線被觸控時改換方向。

● 如果一切工作正常，恭喜你成功了！你已經充分準備好在之後的步驟中以此為基礎新增更復雜的部件了。

● 如果有什麼地方發生了問題，請蛋定——反覆檢查你的連線，如果你無法找出問題所在，可以到論壇上發帖子問！還有，有可能觸控感測器需要經過校準才能可靠地工作。

 

3   製作植物的莖稈 

3.1   工具和材料● 帶有切割刃的旋轉刀具

● 螺絲起子

● 手鑽，帶有各式小鑽頭

● 帶有切割刃的旋轉刀具

● 多用途小刀

○ 完成了的機械植物大腦，或者別的可以控制伺服電機的微控制器

○ 連續旋轉伺服電機（Digi-Key 商品編號 900-00008-ND，12.99 美元）

○ 便宜的捲尺

○ 短螺釘，用於將伺服電機的機臂和捲尺連線起來。

○ 花盆（直徑大約 8 英寸）

○ 膠帶

○ 膠水

 

3.2   a. 肢解捲尺● 我們的捲尺拆起來很方便——只需要卸下背後的四顆螺釘就行了。在移開卷尺頂蓋時要小心些，因為裡面整個都是被受載彈簧拉緊的，可能突然鬆開變成一團亂糟糟的金屬條。我們在使用捲尺時通過遮護膠帶讓它團在一起。

 

● 給塑料小人新增眼睛。

● 我們驚喜地發現捲尺裡有這個塑料小人，偽裝成控制桿之類的東西。這並非有技術含量的一個步驟，不過如果你在你的捲尺裡也發現了類似的小人，也許你也會有興趣把它拿出來，配上兩個眼睛！

咳咳……Matt,別跑題了… 

3.3   b. 給伺服電機留位置● 在移除了捲尺的背部以後，接下來就是在上面切開一個足以放下伺服電機的洞來。

● 我們發現最簡單的方法是將分檔器本身放在上面，然後標記出它所能達到的範圍，繪出一個圓形，再用旋轉刀具挖出這個洞。把洞擴得略大些是個不錯的主意，這樣可以給它一些振動的空間。

 

3.4   c. 將伺服電機的機臂和捲尺座相連● 下一步是將舵機臂（就是伺服電機配備的十字形零件）和捲尺座連線起來。首先，在捲尺的一端綁上遮護膠帶，避免它退卷。接著，小心地從捲尺外殼的背面將捲尺分離開來。

● 在捲尺中央有個隱藏的回彈彈簧（就是這玩意兒讓捲尺縮回殼子裡去的），你可能需要將它切斷才能把它從捲尺背面分離開來。| ● 取出捲尺後，你就可以用一些小螺釘把舵機臂和它連線起來了。儘可能地對準它的中心，好讓它能平滑地旋轉。

● 我們用的螺釘比舵機臂孔略微大了點，所以我們用手鑽將這些孔擴大了些。

 

3.5   d. 裝配伺服電機，並把捲尺放回去● 現在，把伺服電機固定在捲尺上。

● 這裡唯一的技巧在於捲尺的頂蓋要位於伺服電機和捲尺之間，除非你挖的那個洞非常大，否則你必需在將伺服電機的機臂重新連到伺服電機上之前就把頂蓋放好。當固定好捲尺以後，重新把卷尺和外殼組裝起來。我們把卷尺的鎖定機構拆除了，這樣一來它們就不會影響伺服電機的運作了。

● 這時你可以把伺服電機和植物大腦連線起來，這是個確定組裝是否正確的好辦法。

● 給伺服電機接通電源（請確保接線正確——白色的控制線應該和距離微控制器最近的引腳相連），然後啟動機械植物大腦。觸控感測器線，啟用伺服電機，它應該會讓捲尺一伸一縮。

● 如果一切執行正常，現在你就可以斷開電源，把機械植物大腦拆下來了。

 

3.6   e. 製作紙板支座● 這一步依據你使用的花盆以及捲尺而有所不同。基本思路是將捲尺/伺服電機組裝件夾在兩塊紙板之間，然後用一些垂直放置的紙板將它們定位。我們還製作了個三角支撐板，放在花盆底部和捲尺底座之間。

 

3.7   f. 組裝與測試● 經過一番擺弄與調整之後，一切都應該整齊地蝸居在你的花盆中了。

● 最後一步就是連上機械植物大腦，然後放手一試！啟動機械植物大腦，然後觸控感測器線。如果一切正常，那麼捲尺就會從植物的基土中伸出來，然後又縮回去。

● 我們將給我們的植物頂端加上一朵盛開的鮮花吧~

 

4   製作機械植物的花朵 

4.1   工具和材料● 剪刀

● 多用途小刀

● 剪線鉗

● 針頭鉗

○ 機械植物大腦

○ 機械植物根莖

○ 硬卡紙，或者類似的厚實紙張

○ 硬紙板

○ 22 美國線規的圍欄鐵絲

○ 釣魚線或者絲線

○ 膠水（白乳膠）

○ 硬卡紙部件樣板（在一張寬 8.5 英寸、長 11 英寸的紙上列印好，或者直接列印在硬卡紙上）

 

4.2   a. 裁剪● 下載 部件樣板 ,把它全尺寸（寬 8.5 英寸、長 11 英寸）打印出來，然後用它在硬卡紙上裁剪出你所需的部件。在花朵部分你可以用彩色紙張，或者自己塗色。我們用丙烯顏料塗了色，把內外兩面的顏色塗成了不一樣的。

 

4.3   b. 組裝花瓣● 當你把它們剪下來以後，花瓣部分是很容易組裝的。你所需要做的只是讓花瓣末端彎起來，使末端的兩個孔重疊，然後在這之間塗上些膠水，讓它定位就行了。圖中示出的是剪下的花瓣和花朵基座。

 

4.4   c. 彎制花朵基座的鉸鏈線● 接著，我們需要彎制一些線，作為花朵基座上的鉸鏈支架。

● 用剪線鉗剪下三條大概 2 又 3/4 英寸長的鋼絲線。

● 用針頭鉗把它們彎成 U 型，每個 U 字的末端大約 1 英寸長，中間段的長度大概在 3/4 英寸。

● 在垂直於U字形的方向上扭轉這些線，好讓這些鉸鏈支座立起來。你可以看看下一步的圖片瞭解如何扭轉它們。

 

4.5   d. 裝上基礎線頭● 這些線做好了以後，就可以將它們穿過花朵基座上預設的孔，把它們裝好。

● 用針頭鉗在每根線的每個末端繞出一個環，要讓花瓣綻放就靠這些鉸鏈了。

 

4.6   e. 用紙貼住基礎線頭● 現在，在線上塗些膠水，用紙把它們固定住。這些紙到時候是看不見的，所以不需要上色，不過我們有些塗色紙的餘料，所以就廢物利用了。

● 請注意：如果你有裝訂夾，那麼可以用它們來夾住紙張，等待膠水變幹。

 

4.7   f. 折皺基座，然後粘合● 把花朵基座的每一條邊都折起來，然後把襟翼粘起來，這樣就完成了花朵基座。

 

4.8   g. 製作捲尺裝配平臺● 現在，我們要製作一個裝配平臺，讓花朵基座和捲尺端部連線起來。

● 剪下一個三角形的硬紙板，大小要剛好足夠放入花朵基座中，然後把三個角剪掉。把它一半折在硬卡紙裡，形成一個口袋狀。

● 在沒有被包裹的硬卡紙和硬紙板之間塗上膠水進行固定。

● 在硬卡紙口袋上剪出一道口子，讓捲尺端部可以插入，而捲尺端部大致位於三角紙板的中央。

● 在三角紙板的每一條邊的中點剪出一道槽，給用來使花瓣展開的釣魚線留出空間。

 

4.9   h. 組裝基座● 把花朵基座翻過來，然後在底部裝上基座掛鉤。這將用於把花朵固定在機械植物根莖上，它應該被牢牢的固定住，讓捲尺端部上的三角形硬紙板緊緊的被包裹在裡面。

 

4.10   i. 花瓣的連線和連線！● 用一根 1.5 英寸長的金屬線穿過花瓣的一邊，通過花朵基座上的兩個孔，再穿到花瓣另一邊，這樣固定好三個花瓣。

● 線上的每一端彎出一個環，讓線固定住。如果一切正常，花瓣應該可以輕鬆地開合。

 

4.11   j. 裝上植物根莖● 我們將在下一步講述如何定位花朵，並讓植物開花，不過目前你可以把花朵放在根莖上，感受一下完成品的樣子！你也可以拉一下釣魚線，感受一下開花機制的工作狀態。

● 如果一切正常，花瓣應該可以輕鬆地開合。最後，給每一片花瓣連上一根若干長度的釣魚線或者絲線。這條線是用來讓花朵綻放的，在植物生長時線就拉緊，從而拉開花瓣。

● 把線系在花朵的底部，然後向上穿入花朵基座裡面，然後從頂部最近的那個孔中穿出，從花朵基座的頂部向下繞到另一邊。

● 聽著很繞吧~最終要的效果就是當你拉線的時候，花瓣應該會向外展開，除非你手動把它合上，它就一直盛開著。

 

5   最後的組裝 

5.1   工具和材料● 烙鐵和焊錫

● 美工刀

● 金屬絲剪子

● 長鼻鉗

○ 植物的腦袋、植物的根莖和摺紙花朵

○ 1平方英尺的人造草皮

○ 22 AWG的圍欄鐵絲

○ 熱熔膠或者其他粘合劑（雙面膠帶、環氧樹脂粘合劑等等）

○ 發光二極體（紅色或綠色）

○ 220歐姆的電阻

○ 鉤線

5.2   a. 改變電路板的大小● 首先，將電路板的邊角切除，好讓它能蝸居在花盆裡。最簡單的方法是用美工刀在電路板上劃一條線，然後用鉗子沿著線將它“咔嚓”兩斷。

● 把切下的邊角儲存起來.

 

5.3   b. 裁剪觸控感應板● 下一步我們將製作出一塊小的觸控感應板，它會被安置在人造草皮和厚紙板製成的植物基“土”之間。

● 剪下至少有6條端子的一小片來（如上圖所示）。這將成為觸控開關的基礎。

 

5.4   c. 給電阻式觸控感測器添上引線● 在電路板上焊上兩個線環，將從左數起第四條和第六條端子連線起來。

● 用8英寸長的線，以保證長度足以將它們連線上主電路板。線環本身應該至少有1/4英寸高，好讓它們能從草皮下面冒出來。

● 中間的線環要接地，而外側的線環要連在感測器上。

 

5.5   d. 新增一個狀態指示LED燈● 我們的主電路板已經有了一個狀態指示LED燈，不過當把它埋入花盆中後我們就看不到它了。

● 給觸控感應板添上一個新的指示燈，這樣當開關被碰到的時候會發出反饋的燈光訊號。

● 將220歐姆的電阻接入第一條和第四條端子之間，用作LED燈的限壓器。

● 將LED燈接入第一條和第二條端子之間，其正極（較長的引線）連在第二條上。

● 將一個8英寸長的導線焊在第二條端子上，通過它讓微控制器控制LED燈的亮暗。

 

5.6   e. 將它連上主電路板● 最後一步電路工序是將感應板連線在主電路板上。

● 將地線焊在主電路板上的接地口上，將訊號線焊在微處理器的3號引腳上。

● 將LED的線路焊在微處理器的5號引腳上。啟動後我們的樣例電路就會對觸控感測器作出反應了。

● 如果你計劃新增些額外的感測器（例如光、溫度、溼度感測器等等），你也許該趁著現在還沒組裝上植物將它們連線上去。

 

5.7   f. 裁出一塊圓形的人造草皮，然後加上線錨。● 既然基礎電路已經完成了（哇噢！），是時候開始最後的組裝了。

● 裁剪出一塊和厚紙板表面相同大小的人造草皮來，還要在上面開出和捲尺寬度相當的穿孔。

● 利用圍欄鐵絲在草皮上製作線錨，釣絲就是連在這上面。當植物的根莖生長出來的時候，這些錨將拉住釣絲，而釣絲就會讓花瓣綻放開來。這些錨應該開在距離花盆邊緣約一英寸的地方，各相隔120度，正對著花瓣。

● 如圖所示是我們組裝後的樣子，可供參考：

 

5.8   g. 裝上觸控感測器● 下一步是將觸控感應板裝上去，並把厚紙板基“土”和人造草皮固定起來。

● 用美工刀在草皮上刻出三道小口子，讓兩條端子和LED燈的導線從口子裡伸出來。

● 當感應板放置好了以後，用熱熔膠將厚紙板和人造草皮粘合住。這樣會增加些重量，好讓草皮在植物根莖生長出來時不被拽起來。把各個部件裝回到花盆裡，不過暫時先把電路板放在花盆外面。

 

5.9   h. 調節伺服電機● 現在，將程式寫入器連在電路板上，然後調節伺服電機的定時，讓它在你按下觸控開關時升起或落下的距離變得合適。

● 在樣例程式中的預設值設定時可以讓我們的花朵根莖上升8.5英寸，看起來很適合我們的這棵機器植物。你也可以對你的植物進行試驗，找出一個合適的高度。

● 請注意：你可以輕鬆地將捲尺從植物基“土”中拉出來，不過要想收回去還是要讓伺服電機出馬。我們覺得最簡單的除錯方法是將“下降”階段調節得比所需時間略長，然後再將“上升”階段調節到最佳高度。

 

5.10   i. 拴住花瓣● 既然花朵的高度已經調節好了，最後一步就該是拴上釣絲，這樣花瓣就會自動綻開了。

● 將花兒升到最大高度，然後用釣絲纏繞在相應的錨上，接著用釣絲結將它拴好。

● 請注意：如果你手頭有些夾具，那麼你可以在拴住之前先測試一下能否正常活動。

 

5.11   j. 試試看吧！● 這次你的機器植物應該就能完成整套動作了。

● 按下按鈕讓它生長出來然後綻放，再單擊它就會縮回去了。

 

5.12   k. 擴充套件！● 我們目前完成的基礎植物有著一個非常簡單的開/關觸控感測器，不過除此之外它沒什麼別的功能了。

● 秒級精度的計時器可以輕鬆地讓它在特定的時間開花。

● 額外的輸入/輸出介面可以連線上其他的環境感測器，例如用作資料記錄的溫度感測器、光感測器，或者溼度感測器。

● 它還可以連上電腦，對虛擬環境作出反應。

創新永無止境！你會把你的機器植物設計成什麼樣子呢？