在3x3x12 LED矩阵上玩3D俄罗斯方块

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这个项目的目标是做一个可以在 3x3x12 的 LED 矩阵上玩完整功能的 3D 俄罗斯方块游戏。

该项目使用基于 ESP32 的开发板（ESPduino），并集成了网络服务器功能来实现远程控制，用户可以通过web界面进行互动游戏。

GitHub链接：https://github.com/18Markus1984/3D-Tetris

主要特点

• 自定义的 3x3x12 RGB LED 矩阵：由 108 个独立地址的 PL9823 RGB LED 组成。

• ESP32 微控制器：用于控制 LED 并托管本地网络服务器。

• 响应式网页界面：用于游戏和实时交互。

• 开源软件：使用 C、HTML、CSS 和 JavaScript 编写。

硬件组件

• ESPduino 控制器：结合了 ESP32 Wi-Fi 芯片和 Arduino 兼容的 GPIO 布局。

• LED 矩阵：由 108 个 PL9823 RGB LED 组成，采用 3x3x12 格式排列。

• 自定义外壳：使用 3D 打印制作，便于组装和模块化。

• 电源供应：通过 USB-C 接口供电，并带有集成的开关。

软件功能

• LED 控制：使用 FastLED 库进行高效的矩阵管理。

• 游戏逻辑：实现了俄罗斯方块的基本玩法，包括旋转、碰撞检测和行消除。

• 网页界面：基于 HTML/CSS 的 GUI，通过板载网络服务器托管，支持多语言。

如何工作

LED 矩阵构造

LED 矩阵由 PL9823 驱动器连接而成，每个 LED 都通过映射索引单独寻址，从而实现 3D 坐标的控制。

WEB界面功能

支持多种语言（英语、德语、法语、西班牙语、意大利语），并提供以下功能：

• 绕 X、Y、Z 轴旋转方块。

• 在 XY 平面上移动方块。

• 将方块放入指定位置。

所需组件

所需组件包括：

• ESPduino（基于 ESP32）

• 开关

• USB-C 电源

• 热缩管

• 隔离电线

• 108 个 PL9823 RGB LED

• 焊接线（优选无铅）

• 其他辅助材料如钢杆和 3D 打印部件等。

3D打印部件可以在文末下载。

第一步：组装

组装过程分为以下几个关键阶段：

• 焊接电路：连接 ESPduino、LED 矩阵和电源。

• 构建 LED 矩阵：详细步骤来构建和测试 3x3x12 LED 矩阵。

• 组装外壳：指导如何组装 3D 打印的外壳并安全固定组件。

• 安装：配置系统以便首次使用和测试。

请按顺序遵循这些部分，确保顺利组装。

第二步：焊接电路

所需材料

• ESPduino（基于 ESP32）

• 开关

• USB-C 电源

• 热缩管（用于固定连接）

• 隔离电线（用于连接）

步骤

1. 连接 ESPduino

• 将 ESPduino 的数字引脚 16 焊接到 LED 矩阵的数据输入端。
• 将矩阵的 5V 和 GND 线连接到 ESPduino。

2. 添加电源开关

• 在电源和电路之间安装一个开关。
• 使用热缩管绝缘所有连接。

3. 测试电路

• 向 ESPduino 上传一个简单的动画程序。
• 验证整个矩阵是否按预期响应。
• 检查是否有松动或错位的连接，并在必要时进行修复。

故障排除小提示

• 信号连续性：确认数字引脚 16 的线连接到正确的引脚，并且没有松动。

第三步：构建 LED 矩阵

所需材料

要构建 3x3x12 LED 矩阵，需要以下材料：

• 108 个 PL9823 RGB LED

• 带细尖的焊接台

• 焊接线（优选无铅）

• 隔离电线和焊接棒（用于连接）

• 3D 打印的对齐导向器和 8mm 钢杆

组装指南

1. 测试 LED
• 在组装前，测试每个 LED 确保其正常工作。
• 使用自制测试仪，将每个 LED 连接到 Arduino 并运行测试程序，验证 LED 是否点亮并正确变色。

2. 准备矩阵框架
• 使用提供的 3D 模型打印对齐导向器。这些导向器确保所有 LED 在焊接时准确定位。
• 将每个 LED 插入导向器，确保引脚一致对齐。

3. 焊接 LED

• 每个 LED 的引脚 2（5V）应连接到公共电源总线。
• 引脚 3（GND）应连接到地线总线。
• 首先焊接电源连接：
• 使用切割好的焊接棒作为电源和地线轨道。
• 使用钻机和台钳将焊接棒拉直，确保整齐对齐。确保焊接棒是直的，否则矩阵会出现弯曲。

4. 连接信号线

• 将每个 LED 的 DIN（数字输入）焊接到链中前一个 LED 的 DOUT（数字输出）。
• 按预定义顺序操作，确保信号连续性。在完成每一层后测试连接，以便及早发现错误。

5. 逐层组装
• 从底部开始逐层构建矩阵。在完成一层后，使用小跳线或杆将其与上一层连接。确保在进行下一层之前对每一层进行测试。

6. 完成

• 一旦所有 12 层完成，将矩阵固定到其 3D 打印的底座上。
• 焊接最终的电源、地线和数据线连接到 ESPduino。
• 使用热缩管或电工胶带固定所有连接以增强耐用性。

故障排除小提示

• 不亮的 LED：仔细检查连接，有必要的话单独测试每个 LED。

• 信号问题：确保正确对齐并避免线交叉。可以使用万用表测试连续性。

• 结构完整性：如果有必要的话，可以用额外支撑加固矩阵，防止摇晃。

• 拉直焊接棒：确保焊接棒正确拉直，以免矩阵出现弯曲。

工具与参考资料

有关焊接技术和矩阵组装的更多指导，请参考：

• FastLED 库文档，用于编程和故障排除 LEDs：https://fastled.io/docs

• GreatScott 的视频教程“制作简单 5x5x5 RGB LED 立方体”来获取灵感：https://www.youtube.com/watch?v=R-arZ31-zJo

第四步：组装外壳

所需材料

• 3D 打印组件（提供 NX12 格式的 CAD 文件）。

• 带 M3 螺纹的黄铜嵌件（共计 16 个）。

• 用于组装的 M3 螺丝。

• 用于外壳的亚克力板。

• 用于 USB-C 接口的自攻螺丝。

• 耐热垫圈（可选，用于保护螺丝点）。

• 配重（可选，用于增加稳定性）。

设计概述

外壳在 NX12 中设计，紧凑且易于 3D 打印，与打印床的接触最小。它包括：

• 矩阵支架：在焊接和组装过程中支撑 LED 矩阵。预先对齐的孔确保矩阵线缆正确定向。

• 主体：包含 ESPduino 安装、USB-C 接口和开关的插槽。

• 亚克力盖：通过 M3 螺丝牢固固定在底座上。

• 配重支架：位于外壳底部，以防止倾倒。

组装指南

1. 准备外壳

• 使用 PLA 或类似材料打印外壳组件。确保所有尺寸准确以便正确对齐。
• 使用烙铁将黄铜 M3 螺纹嵌件插入指定孔中。12 个嵌件用于固定内部组件（例如，ESPduino 支架、亚克力盖）。底部还有4个额外嵌件，用于固定配重。

2. 固定矩阵

• 使用 M3 螺丝将 LED 矩阵固定到支架上。确保线缆通过支架中的指定孔整齐布置。

3. 安装 ESPduino

• 将 ESPduino 附加到其 3D 打印支架上，并将其固定在外壳内。确保 ESPduino 的 USB 和 GPIO 接口与外壳开口对齐，以便访问。

4. 安装 USB-C 接口

• 使用自攻螺丝将 USB-C 接口安装到指定插槽中。在螺丝上放置耐热垫圈，以防止损坏外壳。

5. 添加开关

• 将开关固定在分配好的开口中。使用连接器或焊接将开关连接到电源线上。

6. 制作亚克力盖

• 调整 MakerCase 上盒子的值，可以在图片中查看这些值。根据所用亚克力板修改厚度，或者使用文末提供的3D打印文件，适用于4mm 厚的亚克力板。可以使用夹具和支架在粘合时固定盖子。

7. 完成外壳

• 使用 M3 螺丝将亚克力盖固定到主体上。可以选择在底部安装配重来增强整体的稳定性。

组装顺序注意事项

在组装任何组件之前插入黄铜嵌件。首先安装矩阵，然后是 ESPduino。在安装主要组件后再安装 USB-C 接口和开关。确保所有线缆整齐布置，以避免干扰外壳或其他部分。

附加提示

在螺丝上使用锁螺胶，防止操作过程中松动。在用亚克力盖密封外壳之前，测试电气连接。为了让整体看起来更美观，可以在组装前打磨并涂漆 3D 打印部件。

第五步：安装

软件

1. 下载并安装 Arduino IDE。

2. 添加 ESP32 板管理器。

3. 安装以下库

通过 Arduino IDE 库管理器：

• FastLED

• WiFi

• Preferences

• ESPForm 库https://github.com/mobizt/ESPForm

上传代码

1. 克隆/下载仓库

打开终端并运行以下命令克隆仓库：

git clone https://github.com/18Markus1984/3D-Tetris.git

如果不知道如何使用命令行窗口，也可以手动访问 GitHub 仓库并将完整项目下载为 ZIP 文件。

2. 在 Arduino IDE 中打开项目

导航到克隆文件夹并打开.ino文件。

3. 配置 ESP32 板

转到工具 > 板并选择 ESP32 开发模块。在工具 > PSRAM 下启用 PSRAM。

4. 上传代码

确保在工具 > 串口下选择了正确的 COM 端口。点击上传按钮，将代码烧录到 ESPduino 上。

5. 连接到 ESP32 的 Wi-Fi 网络

• SSID: 3D-Tetris

• 密码: 12345678

6. 访问网页界面

   打开网页浏览器访问：http://192.168.4.1

现在你就可以通过开始玩 3D 俄罗斯方块游戏了！

第六步：未来改进

虽然该项目达到了初始目标，但仍有几个地方可以进一步改进：

• 减少输入延迟：优化系统以提供更流畅、更灵敏的游戏体验。

• 增强矩阵稳定性：加固矩阵结构，减少运输过程中的晃动。

• 添加电池支持：实现电池供电，使系统便携化。

• 优化碰撞检测和旋转算法：完善软件以消除边缘情况错误，确保无缝的游戏体验。