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作者：王艳梅
技术支持：白银蚁创空间
步骤1 背景和目标
八年级物理第四章第五节《光的色散》中有“色光的合成”这一实验，课本中提到可以在聚光灯前蒙一块有颜色（红色、黄色或蓝色）的透明胶片，再将其发出的光投射到白色屏幕上，形成有部分光交汇。学生通过观察现象，可以发现不同颜色的光能混合成另一颜色的光。自然界中红、绿、蓝三种颜色的光是无法用其他颜色的光混合而成的，而其他颜色的光则都可能通过红、绿、蓝光的适当混合而得到，因此，红、绿、蓝三种颜色被称为光的“三原色”。红、绿、蓝三种颜色的光混合在一起，可以得到不同颜色的光。
但实验的过程中因受环境光光线的影响，清晰度不够，视觉效果不佳，操作又比较复杂，且最终不能达到较好的实验效果。于是，我通过思考与分析，特设计了一款作品，通过旋钮控制三种颜色（红、绿、蓝） LED 灯的亮度，由单片机根据旋钮数据，控制三色合成灯板模拟三原色的混合，让大家更好地认识光的三原色，同时更加直观的明白各种颜色是如何通过三原色混合而成的。
步骤2 教学用途和应用场景
智能色彩演示仪既适合一个人独立学习，也可在班级做演示实验，同时也适宜小组学习，故人数不受限制，亦可收到好的实验效果。
通过旋钮控制三种颜色（红、绿、蓝） LED 灯的亮度，由单片机根据旋钮数据，控制三色合成灯板模拟三原色的混合，让大家更好地认识光的三原色，同时更加直观的明白各种颜色是如何通过三原色混合而成的。
步骤3 三、设计原理和思路
1、RGB三原色原理
RGB色彩模式由自然界中光的三原色的混合原理发展而来。RGB分别代表红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）。它的每个象素在每种颜色上可以负载2的8次方（256）种亮度级别，这样三种颜色通道合在一起就可以产生256的3次方（1670多万）种颜色，它在理论上可以还原自然界中存在的任何颜色。
RGB模式的图像支持多个图层。据有R、G、B三个单色通道和一个由它们混合颜色的彩色通道。
在RGB色彩模式的图像中，某种颜色的含量越多，那么这种颜色的亮度也越高，由其产生的结果中这种颜色也就越亮。例如如果三种颜色的亮度级别都为0（亮度级别最低），则它们混合出来的颜色就是黑色；如果它们的亮度级别都为255（亮度级别最高），则其结果为白色。这和自然界中光的三原色的混合原理相同。
RGB色彩模式是运用最广泛的色彩模式之一，它能适应多种输出的需要，并能较完整地还原图像的颜色信息。如大多数的显示屏、RGB打印、多种写真输出设备都需要用RGB色彩模式的图像来输出。
2、项目设计思路
该项目使用开源硬件 Arduino及编程工具 Mixly 软件，通过旋钮调整控制红、绿、 蓝 LED 灯的亮灭及亮度，再由Arduino根据旋钮值，控制RGB灯板精确地混合出其他各种颜色并显示出来，同时使用OLED液晶屏将单色的亮度（0-255）显示在上面，方便使用者明白现在的颜色是由哪些颜色混合，并能够清晰的指导各个单色的亮度。
步骤4 四、使用材料和功能
Arduino nano及扩展板、红色 LED 灯、绿色 LED 灯、蓝色 LED 灯、RGB 灯板、旋钮×3、面包板、杜邦线若干、9V 电池。
其他工具及材料： 剪刀、胶枪、裁纸刀、烙铁、焊锡丝、3D打印机及其耗材等。
Arduino nano功能：主控，存储执行程序；
扩展板功能：通过I/O接口，实现Arduino nano与旋钮、RGB灯板、LED灯、旋钮之间的连接。通过电源接口连接电池供电。同时扩展板自身还带有电源开关。
旋钮功能：通过主控程序将旋钮的模拟值（0-1023）进行映射，得到范围为0-255的数字控制三色灯的亮度。
单色LED灯功能：分别显示红、绿、蓝三种单色的亮度。
RGB灯板功能：主控根据旋钮值（三种单色值0—255），控制灯板自带的三原色灯进行混合显示。
步骤5 活动内容、过程和步骤
1、材料工具准备
根据项目计划及材料清单，备齐需要的材料和工具，如下图：
2、电路连接
将三个单色灯负极及 RGB 灯板（共阳极灯板） 的信号管脚分别连接至 Arduino NANO 扩展板的 D9、D10、D11 信号管脚，同时将 RGB灯板和三个 LED 灯的正极连接到扩展板的正极；使用 3p杜邦线分别将三个旋钮连接至 Arduino NANO 扩展板的 A0、A1、A2 管脚；将 OLED 液晶显示屏连接至扩展板的IIC 管脚;9V 电池通过电源线直接连接扩展板的电源接口。
电路图设计如下：
3、程序编写
编程软件使用Arduino IDE 和 Mixly。通过管脚（A0、A1、A2）采集旋钮模拟数值（0-1023），然后通过映射转换为 0-255，转换后的数值通过 D9、D10、D11 信号管脚进行模拟输出控制相应的 LED 灯和 RGB 灯板颜色。
#include <U8g2lib.h>
#include <Wire.h>
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_1_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, U8X8_PIN_NONE);
volatile int R;
volatile int G;
volatile int B;
void RGB_oled() {
u8g2.setFont(u8g2_font_courR12_tf);
u8g2.setFontPosTop();
u8g2.setCursor(40,2);
u8g2.print("color");
u8g2.setCursor(25,20);
u8g2.print(String("R:") + String((255 - R)));
u8g2.setCursor(25,35);
u8g2.print(String("G:") + String((255 - G)));
u8g2.setCursor(25,50);
u8g2.print(String("B:") + String((255 - B)));
}
void setup(){
u8g2.setI2CAddress(0x3C*2);
u8g2.begin();
R = 0;
G = 0;
B = 0;
u8g2.enableUTF8Print();
}
void loop(){
R = (map(analogRead(A0), 1023, 0, 0, 255));
G = (map(analogRead(A1), 1023, 0, 0, 255));
B = (map(analogRead(A2), 1023, 0, 0, 255));
analogWrite(11,R);
analogWrite(10,G);
analogWrite(9,B);
u8g2.firstPage();
do
{
RGB_oled();
}while(u8g2.nextPage());
delay(20);
}图形化代码（Mixly）
4、外观制作
⑴使用123d design建模，将外壳分为上盖和下底两部分。
首先设计上盖。点击草图绘制矩形，长为140mm，宽为 130mm，向上拉升1.5mm，然后根据纸质版的上盖结构。设计开孔如下：
① RGB 灯板开孔：在草图左上脚处绘制长为20mm，宽为3mm的矩形，向右移动60mm，向下移动20mm，向下拉伸1.5mm。
②以距左边边框间距为40mm处为圆心，绘制 LED灯的开孔，直径为5mm，点击阵列，阵列个数为3个，间距为30mm，然后选中向下拉伸2mm，旋钮开孔即可获得。
③OLED 液晶屏开孔。首先点击绘制草图按钮，绘制一个长为28mm，宽为26mm的矩形，再向下拉升5 mm（OLED 液晶屏两侧需卡在外壳以内）；再在拉升的基础上，绘制长为20mm，宽为26mm的矩形（上下间距为4mm），然后下拉10 mm；在此基础上，下边缘处绘制一个长为10mm，宽为6mm的矩形，向右移动8mm，下拉10mm，
④旋钮，以距左边边框间距为40mm处为圆心，绘制直径为5mm的圆，然后点击阵列按钮，阵列个数设为3个，间距设为30mm，最后选中三个旋钮向下拉伸2mm，即可得到旋钮的开孔。
其次，设计下底。点击绘制草图，绘制矩形1，长为139.2mm，宽为129.2mm的矩形，向上拉伸45mm；点击绘制草图，绘制矩形2，长为138.2mm，宽为 128.2mm的矩形，向右和下移动0.5mm，向下拉伸5mm；点击绘制草图，绘制矩形3，长为136mm，宽为 126mm的矩形，向右和下移动1.5mm，向下拉伸42mm，即可得到底。
然后，将设计好的外壳切片之后，主备3D耗材进行打印。
再次，将RGB 灯板、三个 LED 灯、 OLED 液晶屏、三个旋钮放置于外壳内部，将所有电路部分放置于纸盒内部，使得作品外观整洁美观。
3D打印外壳如下图：
5、调试
上传程序，并对作品进行调试，修改程序及其他不完善的地方， 最终达到预期效果。
步骤6 预期效果与呈现方式
1、作品最终效果图片
2、功能介绍
通过三个旋钮分别控制红、绿、蓝 LED 灯的亮灭及亮度，RGB 灯板显示三原色混合后的颜色。OLED 液晶显示屏实时 显示 RGB 三原色的值（0-255）。通过该项目可以清晰的理解三原色及颜色的合成。
3、效果演示
图片颜色与实际颜色有差异，图片效果仅做参考。
4、操作说明
通过旋钮顺时针旋转，调节三原色色值从 0 至255 进行变化，观察三原色 LED 灯及 RGB 灯板颜色变化。
步骤7 作品创新点
该作品是一个非常直观的学习光的三原色、及光是如何产生的实验装置。使用者可以自己动手，通过调节旋钮，改变三原色的亮灭及亮度，通过不同的混合方式，组合出不同颜色，实验过程简单，操作容易，实验效果非常直观、还非常有趣，视觉效果良好，可以大大提升实验的效果。
材料清单
- arduino nano X1
- 旋钮 X3
- LED-红 X1
- LED-绿 X1
- LED-蓝 X1
- RGB LCD多彩发光板 X1 链接
他的勋章
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