亲爹为孩子用树莓派和Arduino做了个“火箭控制台”

吃瓜阿阳 2022-11-07 14:05:37

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最近由于我的大儿子要上学，需要一个桌子做作业。于是萌生了一个做一个不仅仅有几条腿的超炫酷的桌子。同时发现，这个桌子还能在完成作业后给孩子们带来更多的乐趣。由于我和孩子们这个暑假在肯尼迪航空中心的“太空之旅”印象非常深刻，我决定围绕NASA主题开始制作。根据对阿波罗计划和NASA控制中心的研究，我对这个控制台做了大致设计。之所以说“大致”是因为，实际的火箭控制台更多的功能是监视而非控制，并且没有小孩子所喜欢的火箭飕飕的声音。为了给两个孩子在一起玩“太空”时能有更多的玩法与音效，设计的这个桌子更加偏向于一个“太空主题”的游戏控制台而不是一个逼真的模拟器。

这个桌子在我儿子复式床（也是我制作的）的下面，并且只有作业完成后才会打开。

当游戏时间开始后，把盖子先开就能露出火箭控制台：

如同我在视频中提到的一样，我首先在盖子的下面喷了一层磁粉，然后世界地图铺在上面，这样磁铁制作的宇宙飞船就可以在地图上移动来代表宇宙飞船在太空中的位置。如果有机会，我会添加一些代表天气的磁铁以表示避免降落的天气。

控制台的程序我放在了Github上，需要Arduino与树莓派两者共同合作运行。Arduino使用了四个IO扩展芯片（MCP23017）读取开关和按钮的状态。当开关（按钮开关，船型开关，或者是拨动开关）改变状态（开至关或者关至开），Arduino会通过串口通信（USB数据线）告诉树莓派。然后树莓派播放一段声音或者开始一系列的事件，如果需要，还会给Arduino发送控制LED的命令。Arduino用了LED点阵驱动（HT16K33）控制所有的LED。这可以控制640个独立的LED，听起来数字非常巨大，但是要知道，数码管的每个数字都有8个LED，LED灯条有24个LED（每个像素有红、黄、绿三个LED，并能显示三色）。电位器的数值通过Arduino的模拟输入读取。

EECOM面板包括四个电位器，每个分别对应一个12位LED灯条。旋转旋钮调节灯条中段位点亮的数量。所有段位变化的颜色表示旋钮值大小的程度。如果旋钮的数值调节到中间四个表示安全的段位中，所有的电量的段位就会是绿色。如果旋钮数值稍高或稍低，就会显示黄色。如果数值过高或过低，就会显示红色。

CAPCOM面板有耳机的接口和电量控制钮。当然，也有一个标为“PPT”的“按下通话”的“呼叫”按钮。当按钮按下后，它上面的LED就会电量然后播放NASA通话开始声(intro Quindar Tone)。松开后，LED灭掉，然后播放NASA通话结束声( outro Quindar Tone)。

“C&WS”是报警系统。据我所知，这是阿波罗飞船中所没有的，但是由于它的可玩性我把它添加了进来。当系统需给机组人员发送提醒或警告时，警报声响起，主警报按钮灯点亮，然后控制板相应的状态指示灯点亮。按下主报警按钮会停止噪音并且关闭按钮上的灯，然后状态面板会显示引起警报的原因。“LAMP”可以对灯进行测试，它能将所有的状态灯全部点亮来检查是否有烧毁。我用“C&WS”面板上的其他开关作为模拟闪电的秘密触发器。阿波罗12号宇宙飞船在升空后不久就被闪电击中，击毁信号控制系统的电源，导致控制中心的遥控数据发生故障。EECOM John Aaron指出了这个问题并指示机组人员切换到“SCE to Aux”，即可将信号控制系统切换到备用电源。就这样，Apollo 12号宇宙飞船的这个问题解决了。

我将助推器（BOOSTER）控制板做成了产生火箭噪音的声卡。为了更加有趣点，我给每个按钮添加了一个计数功能，这样触发系统过载的警报。比如说，状态面板有三个可能的SPS警报,然后按下助推器（BOOSTER）控制板的SPS按钮足够多的次数就会将三个LED点亮。当助推器（BOOSTER）的任一按钮按下后，绿色推力（THRUST）状态灯就会亮起来。

我最喜欢的开关就是这种带有安全保护盖的开关。在拨动开关前首先将安全盖打开，这极大的降低了触碰的风险。经研究发现，阿波罗飞船的烟火系统用的全是这种覆盖开关。这套烟火系统使用炸药来执行某些操作，比如将舱口的降落伞弹开，引爆用来固定航天器不同模块的爆炸螺栓。而这些系统又是一次性的，不能重新复位，所以防止误触是非常重要的。

INCO面板有四个变阻器和两个LED灯条，不过灯条是非连续的也没有找到可以替换的。有趣的是，电阻器有很多玩法，比如，滑动变阻器可以上下滑动。我设计整个控制面板可以方便的从桌子里滑进滑出，这样，添加几个灯条也不会非常困难。

大部分音效都可以从freesound.org找到。有些音效，比如降落伞，可以用声音编辑器进行合成。对于一些真实事件中的声音，我幸运的在阿波罗11号的飞行日志中找到了。我将它剪辑出来，将NASA各种真实地音效组合在一起作为现在控制台的主要音效。随着孩子的成长而不仅仅是随机的敲一些按钮，而是更加合理的玩游戏。这个面板会帮助他们一步一步的完成任务。在初次使用这个控制台的十分钟内，孩子们学会了哪些按钮可以让玩具火箭和航天飞机绕着屋子飞行。