基于 Seeed XIAO SAMD21 與 OLED 擴展板的智能手電筒設計

作者：Yifan Gao 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） 微控制器及其 XIAO 擴展板 實現的智能手電筒。系統以 3.7V 鋰離子電池供電，使用擴展板集成的充電管理與電源系統，并通過 AO3400 N 溝道 MOSFET 驅動高功率 LED 陣列。借助 XIAO 擴展板上的 SSD1306 OLED 顯示屏，手電筒可實時顯示亮度百分比，并通過搖桿式按鍵實現四檔光照模式（20%、40%、100%、關閉）的循環切換。本文從設計動機、硬件架構、電路設計、軟件控制策略、機械結構和裝配流程等方面，對該“過度工程”的智能手電進行系統性闡述。

Smart Flashlight with XIAO MCU

1 引言

在野外露營、戶外探險和應急照明等場景中，便攜式手電筒是必備工具。市售手電雖然種類豐富，但在以下方面仍存在局限：

亮度檔位可定制性差；
不具備狀態反饋（如電量或亮度信息）；
擴展性與可編程能力有限。

為滿足個人露營需求，作者設計了這款 智能手電筒，目標包括：

具備多檔亮度控制：支持不同環境下的照明需求；
可視化亮度信息：通過 OLED 顯示亮度百分比與當前模式；
基于 XIAO 的可編程平臺：便于日后擴展功能；
結構一體化：通過 3D 打印實現定制外殼。

項目使用了 XIAO SAMD21 開發板 + XIAO 擴展板 作為控制與電源核心，通過 MOSFET 驅動自制 2835 LED 陣列，實現高電流、大面積泛光的照明效果。

2 系統構成與總體架構

系統可分為以下幾個部分：

控制與電源模塊

XIAO SAMD21 M0 微控制器
XIAO 擴展板（含鋰電充電電路、電源管理及 SSD1306 OLED）
3.7V、2000 mAh 鋰離子電池

功率驅動模塊

AO3400 N 溝道 MOSFET（SOT-23 封裝）
MOSFET 柵極電阻：10 kΩ（0603 封裝）
LED 陣列負載（8 顆 2835 白光 LED）

LED 光源模塊

自制銅包板（LED Board）
8 顆 2835 封裝白光 LED 并聯
每對 LED 串聯 5.6 Ω 電阻（2512 封裝），用于限流

人機交互與結構件

XIAO 擴展板上的 SSD1306 OLED 顯示屏
觸發按鍵 – 搖桿式開關
3D 打印外殼（主殼體 + PCB 支架）

3 硬件設計與關鍵器件

3.1 主要器件清單

XIAO SAMD21 M0 開發板
XIAO Expansion Board（帶 OLED 與充電電路）
3.7V 鋰電池，容量約 2000 mAh
LED 白光 2835 封裝 × 若干
5.6 Ω 電阻（2512）
AO3400 N 溝道 MOSFET（SOT-23）
10 kΩ 電阻（0603）
搖桿式按鍵（Push Button – Rocker Switch 風格）
若干導線、M2 螺絲
3D 打印外殼與 LED PCB 支架

3.2 控制與供電電路

本設計中，XIAO 擴展板同時承擔：

鋰電池充電與保護；
為 XIAO 與 OLED 提供穩定電源（約 3V/3.3V）；
對外提供 3V 電源端口，用于驅動 LED 負載（通過 MOSFET 控制）。

MOSFET 驅動配置

MOSFET 型號：AO3400 N 溝道 MOSFET
接線關系：

柵極（G）：通過 10 kΩ 電阻連接至 XIAO 的 D2 引腳；
漏極（D）：連接至 LED 負載的負極；
源極（S）：連接至擴展板 GND；

LED 負載正極：接 XIAO 擴展板的 3V 輸出端。

這種典型的**低端開關（Low-side Switch）**結構，使得高電流從電源 → LED → MOSFET → 地構成閉合回路，微控制器僅通過控制柵極電壓來開關或調制電流。

為什么必須使用 MOSFET？

普通 MCU I/O 引腳典型輸出能力約為 20–30 mA，只適合驅動單顆小功率 LED。而本項目中的 LED：

采用 2835 封裝白光 LED，高亮度，單顆電流可達 200–500 mA；
多顆并聯后，整體電流可能達到 2 A 量級。

若直接用 XIAO 的 I/O 引腳驅動：

將遠超引腳電流能力；
可能燒毀芯片或造成不穩定工作。

采用 MOSFET 作為開關器件，可以：

通過 I/O 提供極小的柵極驅動電流；
讓 MOSFET 承擔大電流的開關任務；
通過 PWM 信號控制柵極，實現亮度調節。

4 機械結構與 3D 建模

4.1 結構劃分

手電主體采用兩部分結構：

主機身（Main Body）

內部放置 XIAO 擴展板與鋰電池；
右側區域安裝擴展板，使 OLED 可側向可視；
上表面為搖桿開關安裝位置，便于單手握持與拇指操作。

PCB 支架與燈頭

前部為 PCB Holder，用于固定自制 LED 板；
整體與主機身螺絲連接，便于拆裝維護。

建模使用 Autodesk Fusion 360 完成。

4.2 3D 打印參數

主體材料：紫色 PLA（主殼體），透明 PLA（LED Holder），以兼顧強度與透光效果；
打印參數參考：

噴嘴：0.4 mm
層高：0.2 mm

5 軟件設計與控制邏輯

系統軟件采用 Arduino 框架開發，主要包括兩階段：
1）簡單開關測試； 2）最終多檔亮度與 OLED 顯示控制。

5.1 測試程序 1：單純 MOSFET 開關驗證

用于驗證 MOSFET 驅動路徑是否正常：

void setup() {  // 使用 D2 控制 MOSFET
  pinMode(2, OUTPUT);
}void loop() {  digitalWrite(2, HIGH);  // 打開 LED 負載
  delay(1000);  digitalWrite(2, LOW);   // 關閉 LED 負載
  delay(1000);
}

若 LED 能以 1 秒周期閃爍，則說明：

MOSFET 接線正確；
電源與 LED 負載路徑正常；
MCU 控制輸出無誤。

5.2 主程序：多檔亮度 + OLED 顯示

主控邏輯：

使用一個按鍵（搖桿開關）切換模式；
模式按順序循環：

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

OLED 以豎屏方式顯示當前亮度百分比或“OFF”。

完整示例代碼如下：

#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;  // 按鍵輸入const int lightPin  = 2;  // MOSFET 柵極（PWM 輸出）int lightMode = 1;        // 當前模式Adafruit_SSD1306 display(OLED_WIDTH, OLED_HEIGHT);void setup() {  pinMode(lightPin, OUTPUT);  pinMode(switchPin, INPUT_PULLUP); // 按鍵上拉輸入
  digitalWrite(lightPin, LOW);

  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDR);
  display.clearDisplay();
}void loop() {  // 按鍵檢測（簡單版，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);  // 約 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); // 約 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);
  }  // 可視需要添加短暫延時，避免多次觸發
  // delay(200);}