基于 Seeed XIAO 的錐形 RGB 氛圍燈設計與實現

作者：時間：2025-11-21 來源：

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摘要

本文介紹了一款基于 Seeed Studio XIAO SAMD21（XIAO M0） 與 WS2812 可編程 RGB LED 的便攜式錐形 RGB 氛圍燈。系統通過 定制 PCB + IP5306 電源管理 IC + 3D 打印外殼 實現電池供電、5V 升壓與 LED 控制，并利用電位器實現燈光色彩（HUE）的連續調節。文章從結構設計、PCB 設計、焊接與組裝流程、主控程序到最終光效表現進行完整說明，為基于 XIAO 與 NeoPixel 的 RGB 照明項目提供一個可復用的工程實現方案。

1 引言

可編程 RGB LED（如 WS2812 NeoPixel）在創客燈光、桌面氛圍燈和交互式裝置中應用廣泛。其優勢在于：

單總線級聯，硬件連線簡單；
支持逐點尋址，可實現豐富燈效；
與 Arduino / XIAO / ESP 系列控制板高度兼容。

本文設計了一款 錐形結構 RGB 氛圍燈（CONE LAMP）：

使用 XIAO SAMD21 作為主控；
使用自制 LED 板 + 電源板 PCB；
采用 3.7V 鋰電池 + IP5306 升壓充電管理；
外殼、燈體與 PCB 支架由 3D 打印 完成；
通過 電位器旋鈕調節燈光色調。

整個項目適合入門級創客實踐，也可作為電源管理 + 可編程燈效 + 結構設計的綜合教學案例。

2 系統總體結構

系統主要由以下幾個部分構成：

電源與主控板（Power Board）

IP5306 電源管理 IC（升壓 + 充電管理）
XIAO SAMD21 開發板
電位器接口、LED 板接口
DC Barrel Jack 與撥動開關

LED 板（RGB LED Board）

多個 WS2812（NeoPixel）RGB LED
每顆 LED 對應去耦電容
若干 LED 板串聯構成一個燈帶，統一由單一數字引腳控制

電源部分

3.7V 鋰電池（約 2200–2900 mAh）
由 IP5306 升壓至 5V，為 XIAO 與 LED 供電

3D 打印結構件

底座（Base）：容納電池和電源板，集成電位器旋鈕與開關、DC 接口
錐形擴散罩（Cone Diffuser）：用于散射 LED 光線
RGB PCB 支架（上、下兩件）：支撐 LED PCB 位于錐體內部

3 硬件與器件清單

3.1 核心元件

Seeed Studio XIAO SAMD21（XIAO M0）
WS2812 / NeoPixel RGB LED（采用環形或自制 LED 板）
IP5306 電源管理 IC
3.7V 鋰電池（約 2200–2900 mAh）
電位器（用于調節顏色）
DC Barrel Jack（充電接口）
搖臂開關 / Rocker Switch
1 μF 電容
10 kΩ 電阻
1 μH 電感
母座排針（用于 XIAO 與外部模塊連接）
3D 打印部件（底座、錐形罩、LED 支架、旋鈕）

4 結構設計與 3D 打印

4.1 結構劃分

錐形燈的結構主要分為兩大部分：

底座（Base）

內部容納電池、Power Board
預留開關、DC 接口、電位器安裝孔
上部設有用于固定 LED 支架的安裝位

錐形擴散罩（Cone Diffuser）

作為光學擴散件，包裹 LED 區域
通過材質和厚度實現均勻散射效果

此外，設計了：

RGB PCB 支架：由上下兩部分組成

上部分用于四面固定 LED PCB
下部分用于與底座連接

電位器旋鈕：外部用戶交互件

4.2 建模與打印參數

建模軟件：Autodesk Fusion 360
打印材料：

白色 PLA：錐形擴散罩、支架等
黃色 PLA：底座部分（視覺區分 + 風格設計）

部分打印參數（示例）：

噴嘴直徑：0.6 mm
填充率：20%
層高：0.2 mm

5 PCB 設計與制作

整個系統的 PCB 設計分為兩塊：

5.1 電源板（Power Board）

主要功能：

使用 IP5306 將鋰電池的 3.7V 升壓至穩定的 5V
提供電池充電管理
為 XIAO 與 LED 提供 5V 供電
集成 XIAO M0 板的插座與接口引出

關鍵設計要點：

IP5306 常用于移動電源類應用，適合此類單電池升壓場景；
將 XIAO 的 5V、D0、D1、GND 等引腳通過排針引出，用于連接：

LED PCB（數據、供電、地）
電位器（模擬輸入）

板上布置 DC Barrel Jack 與電池連接器（CON2），并通過搖臂開關實現整機電源控制。

5.2 LED 板（RGB LED Board）

LED 板為多塊相同的 RGB 單元板，每塊板上：

8 顆 WS2812 LED 串聯；
每顆 LED 的 VCC–GND 間各自并聯一個去耦電容，提高供電穩定性；

整個燈體：

由 4 塊 LED 板構成，理論總計 32 顆 LED；
四塊板的 DIN → DOUT 串接，構成單總線數據鏈；
整個鏈路通過 XIAO 的單一數字引腳驅動。

PCB Layout 同樣在 Fusion 360 中構建，再導入 PCB CAD 軟件進行輪廓與細節處理，之后提交至工廠打樣。

5.3 PCB 生產與裝配服務

LED 板與電源板通過 Seeed Studio Fusion PCB 服務打樣：

白色阻焊層 + 黑色絲印，用于增強視覺效果與可讀性；
打樣周期較短，成本低，適合作為小批量原型制作與驗證；
后續若量產，可進一步使用其 PCBA 服務與商業化支持。

6 PCB 裝配流程

整個硬件裝配分為 LED 板裝配 與 電源板裝配。

6.1 LED 板裝配

使用錫膏點膠針頭在各焊盤上逐點涂布錫膏；
使用 ESD 鑷子依次貼裝 WS2812 LED 與電容；
將 PCB 放置在小型回流熱板上，從底部加熱至錫膏熔化溫度；
冷卻后檢查焊點質量。

LED 板功能測試

按既定原理圖將 LED 板串聯連接；
使用跳線將其與 XIAO 開發板連接；
使用 Adafruit_NeoPixel 示例代碼 對 LED 進行簡單跑燈測試：

引腳：D0
LED 數量：32
將延時由 500 ms 降低到 100 ms 或更小，以減小閃爍感并延長 LED 壽命。

測試示例代碼（節選）：

#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)); // 綠色
    pixels.show();
    delay(delayval);
  }
}

6.2 電源板裝配

使用錫膏點膠對 IP5306、電容、電阻、電感等焊盤涂覆錫膏；
貼裝 IP5306 及其他 SMD 元件；
在小型熱板上進行回流焊；
焊接 THT 器件，包括：

XIAO 底座排針
電池連接器
DC Barrel Jack
搖臂開關等

電源板測試

連接鋰電池到電源板 CON2 接口；
打開搖臂開關，確認電源板電源指示燈點亮；
測量 IP5306 輸出端電壓，應穩定在 5V 左右；
將 DC 端口通過改裝的 USB–Barrel 線與手機充電器連接，驗證電池充電功能。

7 系統接線與主控程序

7.1 接線說明

LED 板串聯邏輯：

XIAO → D0 → 第一塊 LED 板 DIN
第一塊 DOUT → 第二塊 DIN
第三塊、第四塊依次類推

所有 LED 板的 VCC → 電源板 5V，GND → 公共地；
電位器三端：

一端接 5V，一端接 GND，中間滑動端接 XIAO 的模擬輸入（A0）；

鋰電池、搖臂開關、DC 接口按原理圖連至電源板。

7.2 主控代碼（帶電位器色彩控制）

最終版本代碼實現功能：

使用電位器讀數控制 RGB 色調（HUE 映射）；
通過 Adafruit_NeoPixel 庫驅動全部 32 顆 LED；
旋鈕旋轉 → 燈光顏色平滑過渡；

代碼如下：

#include <Adafruit_NeoPixel.h>

#define PIN            1   // NeoPixel 數據引腳
#define NUMPIXELS      32  // LED 數量

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

int potPin = 0;    // 電位器連接的模擬引腳
int potValue = 0;  // 存儲電位器讀數

void setup() {
  strip.begin();
  strip.show();                 // 初始化為全滅
  randomSeed(analogRead(0));    // 初始化隨機數種子（可選）
}

void loop() {
  potValue = analogRead(potPin);           // 讀取電位器

  // 將電位器 0–1023 映射到 0–255 的色彩范圍
  int hue = map(potValue, 0, 1023, 0, 255);

  // 簡化實現：將 hue 作為 R 通道，B 固定為 255，可呈現藍–紫系變化
  for (int i = 0; i < strip.numPixels(); i++) {
    strip.setPixelColor(i, strip.Color(hue, 0, 255));
  }

  strip.show();    // 更新燈帶顯示
  delay(100);      // 略加延時，提高觀感
}