基于Circuit Playground Express的红外激光对战系统设计与实现

1. 项目概述与核心思路

如果你手头正好有两块Adafruit的Circuit Playground Express开发板，又觉得单纯点亮LED或者做个温度计有点不过瘾，那今天这个项目绝对能让你玩上瘾。我们将利用板子上一个常被忽略的功能——红外收发器，来制作一套完整的、可互相对战的激光对战系统。这不仅仅是“遥控器控制另一个板子亮灯”那么简单，我们会实现一个完整的游戏逻辑：每被“击中”一次，板子上的NeoPixel环形灯就会多亮起一盏，直到被击中十次后“阵亡”，所有灯变红并伴随音效。两块板子互为“枪”和“靶子”，你可以和朋友来一场紧张刺激的对战，或者把它当作一个有趣的射击靶来练习瞄准。

这个项目的魅力在于，它完美结合了硬件感知、无线通信和游戏逻辑。红外通信本身是一种非常经典且廉价的短距离无线技术，我们每天用的电视遥控器就是最好的例子。在创客项目中，利用它来实现设备间的简单指令传输，既稳定又直观。Circuit Playground Express（后面我们简称CPX）板载了红外发射管（TX）和接收管（RX），这为我们省去了外接模块的麻烦。而MakeCode图形化编程环境，则让编写复杂的“发射-接收-判断-反馈”逻辑变得像搭积木一样简单，即使你没有深厚的代码功底，也能轻松上手。

整个项目的核心思路非常清晰：将一块CPX设置为“发射器”，当按下按钮时，通过红外LED发射一个代表特定颜色（比如靛蓝色）的数字编码信号。另一块作为“接收器”的CPX，在接收到这个信号后，会解析这个数字，并执行一系列游戏逻辑：增加“被击中次数”的计数器，根据次数点亮相应数量的LED，并在达到上限后触发“阵亡”状态（全红灯+音效），同时锁定自身，无法再作为发射器使用，直到复位。由于代码是对称的，每块板子都同时具备发射和接收功能，因此两块板子可以平等地对战。

2. 硬件准备与电路解析

2.1 核心硬件清单与选型考量

这个项目对硬件的要求非常精简，核心就是两块CPX开发板。我强烈推荐使用Adafruit原厂的Circuit Playground Express，而不是经典的Circuit Playground（后者没有红外功能）或其他兼容板，因为原厂板在MakeCode中的兼容性和库支持是最完善的。CPX可以看作是Arduino的一个高度集成、对初学者极其友好的版本，它把你想得到和想不到的传感器、输出设备都集成在了一个小圆板上：10个可编程RGB NeoPixel LED、运动传感器、温度传感器、光线传感器、声音传感器、两个按钮、一个滑动开关、一个红外收发器、一个扬声器，甚至还有电容触摸接口。对于这个项目，我们主要用到它的红外收发器、NeoPixel LED、按钮、扬声器和电源接口。

除了开发板，独立的供电是关键。CPX虽然可以通过USB供电，但为了能拿着它到处跑、实现真正的“对战”，我们必须使用电池供电。这里选择的是3节AAA电池盒，带开关和JST-PH 2针接口的版本。为什么是3节AAA？因为CPX的工作电压范围是3.3V-5.5V。3节全新的碱性电池可以提供约4.5V的电压，正好落在理想区间，既能稳定驱动板子所有功能，又不会因电压过高造成风险。锂电池虽然能量密度高，但单节3.7V的电压需要搭配升压电路，而两节串联又可能超过5.5V，对于这个简单项目来说，AAA电池盒是最可靠、最安全易得的选择。你需要准备两个这样的电池盒，以及总共6节AAA电池。

最后，你还需要两根Micro-USB数据线，用于最初的程序烧录。一旦代码烧录完成并切换到电池供电，数据线就可以收起来了。所以，完整的清单是：

• Circuit Playground Express 开发板 x 2
• 带开关的3xAAA电池盒 x 2
• AAA碱性电池 x 6
• Micro-USB数据线 x 2

注意：务必使用碱性电池。可充电的镍氢电池（如eneloop）单节电压通常只有1.2V，三节串联只有3.6V，处于CPX工作电压的下限边缘，可能导致红外发射功率不足、传输距离缩短，或者在大电流驱动NeoPixel时出现不稳定。新手第一次搭建，强烈建议用全新碱性电池，排除电源问题。

2.2 红外通信硬件原理浅析

虽然我们用MakeCode积木编程，但了解一点底层硬件原理，能帮你更好地调试和理解项目。CPX上的红外通信系统主要由两部分组成：

1. 红外发射管（IR TX LED）：位于板子边缘，标有“TX”的小透明LED。当它通电时，会发出人眼不可见的红外光。在MakeCode中，我们通过红外发送数字积木来控制它。实际上，这个积木会让红外管以特定的频率（通常是38kHz，这是大多数红外接收头的标准载波频率）闪烁，将我们要发送的数字编码成一系列长短不同的红外脉冲。你可以把它想象成一个快速的、人眼看不见的“手电筒”，在用莫尔斯电码发送信息。
2. 红外接收器（IR Receiver）：位于板子另一侧，标有“RX”的一个黑色的小方块。它的内部是一个光电二极管和一套解调电路。它的作用不是简单地检测有无红外光，而是专门检测以38kHz频率调制的红外信号。这能有效过滤掉环境中常见的连续红外光源（如太阳光、白炽灯）的干扰，只“听”我们发射器发出的特定“音调”的信号。当它收到正确的信号后，会将其解调，还原出数字信息，并触发当红外接收到数据积木。

这两个元件在板子上的物理位置是固定的。在进行对战时，你需要确保发射器的TX LED大致对准接收器的RX窗口。红外光的传播有一定的散射角，就像手电筒的光锥。默认情况下，这个光锥比较宽，容易瞄准但也少了点挑战性。后文我们会介绍如何通过加装“枪管”来收窄光束，提升游戏难度和真实感。

3. 游戏逻辑设计与MakeCode编程详解

3.1 项目初始化与状态设置

打开MakeCode编辑器（建议使用桌面版或Chrome浏览器访问makecode.adafruit.com），新建一个项目。我们所有的代码都将放在这个项目中，并且同一份代码会同时烧录到两块CPX板子上，因为它们角色是对等的。

首先进行初始化。拖入一个当启动时积木。这个积木里的代码只会在板子通电或复位时执行一次，用于设置游戏的初始状态。我们需要做两件事：

1. 初始化NeoPixel灯环：从“灯光...更多”类别中，拖入设置所有像素颜色为 红色积木，将其颜色改为“白色”。这行代码的作用是在游戏开始时，将10个LED灯全部点亮为白色，作为一个醒目的“设备已就绪”指示灯。白色光亮度高，能清晰表明板子已上电且程序正常运行。
2. 创建并初始化变量：这是游戏逻辑的核心。我们需要两个变量来记录状态。
   • health（生命值）：代表这个“目标”是否还能被射击或主动射击。我们设1为“存活”，0为“被击毁”。初始值设为1。
   • hits（击中次数）：记录这个目标当前被击中了多少次。初始值设为0。

在“变量”类别中，点击“创建一个变量”，分别创建这两个变量。然后拖入两个将 项目 设为 0的积木到当启动时循环内，分别将health设为1，将hits设为0。

至此，初始化部分完成。板子启动后，会白灯全亮，并且内部记录着：生命值满格（1），被击中次数为0。

3.2 发射器逻辑：按钮触发与红外信号发送

现在来构建“开枪”的逻辑。我们希望按下按钮A时，板子能作为发射器，向对方发送一个“子弹”信号。

1. 建立按钮监听：从“输入”类别中，拖入当 按钮 A 被点击积木。但这里有个关键细节：被点击指的是“按下并释放”的完整动作。在快速对战游戏中，我们希望按下的一瞬间就触发，响应更快。所以，点击积木上“A”旁边的下拉菜单，将其改为A，然后再点击“被点击”，选择被按下。这样，只要手指按下按钮，事件就会立刻触发。
2. 添加视觉反馈：因为红外光不可见，开枪时我们需要一个可见的提示。CPX板载了一个单独的红色LED，连接到引脚13（在较新的MakeCode版本中，这个引脚被直接命名为“LED”）。从“引脚”类别（在“高级”抽屉里），拖入数字写入 引脚 A0 至 假积木。将其中的“A0”改为“LED”（或“D13”），“假”改为“真”。这行代码会在按下按钮时点亮这颗红色LED，模拟“枪口闪光”。
3. 发送红外信号：这是发射部分的核心。从“红外”类别，拖入红外发送数字 0积木到按钮事件中。这个“0”就是我们要发送的消息内容。在这个游戏中，我们发送的数字实际上代表一种“颜色代码”。例如，我们可以定义发送“靛蓝色”代表一颗有效的子弹。从“灯光...更多”类别中，找到颜色选择器积木（通常是一个色块），将其拖拽到红外发送数字积木的“0”上，覆盖它，然后在弹出的颜色选择器中选择“靛蓝”（Indigo）。这样，当我们按下按钮A，板子就会向外发射一个代表“靛蓝色”的红外编码信号。

实操心得：你可以为不同的按钮分配不同的“颜色子弹”。例如，复制整个当 按钮 A 被按下的积木组合，将按钮改为“B”，发送的颜色改为“绿色”。这样，一块板子就有了两种“武器”，增加了游戏的可玩性。在接收逻辑里，我们可以根据接收到的不同颜色数字来触发不同的效果（比如不同颜色的击中光效）。

3.3 接收器逻辑：信号解码与游戏状态更新

接收器逻辑是整个游戏的“大脑”，负责处理被击中后的所有反应。我们使用当红外接收到数据积木来响应。这个积木会提供一个名为receivedNumber（新版本中叫num）的变量，里面存储着发送方发来的数字（在我们这里就是颜色代码）。

1. 添加接收指示：同样，为了直观知道收到了信号，我们可以点亮红色LED。复制之前数字写入 LED 至 真的积木，放到当红外接收到数据积木里面。

2. 构建核心游戏逻辑：这里我们需要用条件判断来实现一个状态机。拖入一个如果 为 真 则积木。

   • 条件判断：我们首先要检查自己的health是否为1（即是否还存活）。从“逻辑”类别拖入一个0 = 0积木，替换掉“真”。将第一个“0”用变量health替换，第二个“0”改为“1”。这个条件的意思是：如果我的生命值等于1（存活），则执行接下来的被击中逻辑。
   • 存活状态下的处理（如果分支）： a.增加击中计数：拖入以 1 为幅度更改 hits积木。 b.灯光反馈：我们希望每被击中一次，就多点亮一个NeoPixel。从“灯光”类别，拖入设置像素颜色 从 0 至 0 为 红色积木。这里需要一点技巧：将“从”后面的0替换为0，将“至”后面的0替换为变量hits。但注意，hits是从0开始计数的，而像素索引是从0到9。为了从第一个灯开始点亮，我们可以用hits - 1。更简单直接的方法是：设置像素颜色从0至hits，但第一次击中（hits=1）时，会点亮索引0和1两个灯？不对。实际上，我们需要的是点亮前N个灯。MakeCode有一个图形 绘制条形图到 高度 0积木（在“灯光...更多”里），但用在这里不直观。一个清晰的做法是：设置像素颜色 从 0 至 hits 为 靛蓝，并将颜色改为与发射信号一致的颜色（如靛蓝）。但这样每次都会重新设置从0到hits的所有灯。为了效果更好，我们可以每次只点亮一个新的灯：设置像素颜色 在 hits - 1 为 靛蓝。这里有一个关键点：当hits为0时，hits - 1是 -1，会导致错误。因此，安全的做法是在更改 hits之后，用设置像素颜色 在 hits 为 靛蓝，但第一次击中后hits=1，点亮的是索引1的灯（第二个灯），留出索引0的灯作为特殊状态？这会让灯光顺序看起来不连续。经过实践，最直观且无错的逻辑是：在如果内部，先更改 hits，然后设置像素颜色 从 0 至 hits 为 靛蓝。这样，第一次击中（hits变为1）时，点亮索引0的灯；第二次击中（hits变为2）时，点亮索引0和1的灯，以此类推。非常符合直觉。 c.判断是否被击毁：被击中后，需要判断是否达到了致命一击（比如10次）。拖入另一个如果 为 真 则积木，条件设置为hits = 10（或你设定的最大生命值）。如果条件成立，说明目标被摧毁了。 i.更新生命状态：在内部如果中，加入将 health 设为 0。 ii.触发摧毁效果：加入设置所有像素颜色为 红色，并将颜色改为红色。再加入播放音调 中音 C 持续 四分之一拍（从“音乐”类别），可以选择一个更有冲击力的音效，比如“power down”（关机音效）直到播放完毕。这会给玩家一个明确的“目标已摧毁”的声光反馈。
   • 死亡状态下的处理（否则分支）：如果health不等于1（即health为0），说明这个目标已经被摧毁了。那么它不应该再对红外信号做出任何“被击中”的反应。我们可以在这里什么都不做，或者加一个简单的提示，比如让所有LED闪烁一下红色表示“我已死亡，别打了”。但为了简化，我们可以留空。

3. 关闭接收指示LED：在当红外接收到数据的最后，别忘了加入数字写入 LED 至 假来熄灭那个红色LED，表示一次接收处理完成。

4. 完善发射逻辑的条件：现在，我们需要回过头去修改发射逻辑。一个已经被摧毁（health为0）的目标，应该不能开枪。所以，在当 按钮 A 被按下的事件处理中，最外层也应该套上一个如果 health = 1 则的判断。只有生命值为1时，才能执行点亮LED和发送红外信号的操作。否则，按下按钮应无反应。这模拟了“阵亡后无法攻击”的游戏规则。

3.4 代码整合与调试技巧

将上述所有积木按逻辑拼接起来，你的完整代码块就形成了。它应该包含：

• 当启动时：初始化灯光和变量。
• 当 按钮 A 被按下（内含如果 health = 1判断）：处理发射子弹。
• 当红外接收到数据（内含如果 health = 1判断）：处理被击中、更新状态、判断死亡并触发特效。

在烧录代码前，有几点调试建议：

• 分步测试：不要一次性写完所有逻辑。可以先测试红外收发是否正常。写一个最简单的程序：A板按下按钮发送数字1，B板收到数字1后点亮所有LED。确保基本的通信是通的。
• 利用串口输出：在MakeCode的“串口”类别中，有串行写入行积木。你可以在关键节点（如发送信号时、收到信号时、变量改变时）输出调试信息到控制台，这对于排查逻辑错误非常有用。
• 灯光状态辅助：除了游戏逻辑灯，你可以用板载的红色LED（LED）作为状态指示灯。例如，开机常亮表示就绪，快速闪烁表示正在发送，慢速闪烁表示已死亡等。

当你确认代码逻辑无误后，用USB线连接第一块CPX，点击MakeCode编辑器的“下载”，将程序烧录进去。然后对第二块CPX重复此操作。现在，两块板子都拥有了相同的、完整的游戏程序。

4. 机械组装、供电与实战优化

4.1 电源组装与固定

代码准备就绪后，我们来解决供电和“持握”的问题。

1. 安装电池：为两个电池盒各装入三节AAA电池。注意正负极方向，电池盒内部通常有清晰的标识。
2. 连接开发板：将电池盒的JST-PH插头连接到CPX板边缘的电源接口。这个接口有防反插设计，方向不对是插不进去的，可以放心操作。
3. 开启电源：打开电池盒上的开关。此时，CPX板应该会自动启动，NeoPixel灯环亮起白色，表示程序已运行，设备进入待机状态。
4. 固定组合：电池盒和CPX板是分离的，玩起来不方便。我们需要将它们固定在一起。有两种简单可靠的方法：
   • 尼龙扎带：这是最牢固的方式。找两根较短的尼龙扎带，分别穿过CPX板上的两个大孔（它们本身就是为固定设计的）和电池盒上的固定孔或缝隙，拉紧并剪掉多余部分。这样组合体非常结实耐用。
   • 双面泡沫胶：如果想更轻便或可拆卸，可以使用高粘性的双面泡沫胶（如VHB胶带）。剪一小块，粘在电池盒和CPX板背面之间，用力按压几秒钟即可。这种方式足够应对桌面把玩，但剧烈奔跑时可能有脱落风险。

现在你得到了两个独立的、由电池供电的“游戏单元”。每个单元既是枪也是靶。

4.2 提升游戏体验：制作“枪管”

默认情况下，CPX的红外发射管（TX LED）发出的光锥角度较宽，在几米内很容易就能“击中”目标，游戏缺乏挑战性。我们可以通过添加一个“枪管”来收窄光束，这就像给手电筒加了一个聚光透镜，会让光斑变小，传播更远，但也要求你瞄得更准。

材料选择与制作：

• 吸管：最易得的材料。黑色或不透明的吸管效果最好，可以减少内部杂散反射。将吸管一端剪齐，直接套在TX LED上。如果有点松，用一点点橡皮泥（蓝丁胶）在内部固定一下。
• 废旧圆珠笔或签字笔的笔芯/笔杆：取出内部的笔芯和油墨，剩下的透明塑料笔杆是非常理想的枪管材料。长度适中，透光性好。
• 用纸卷制：用黑色卡纸或普通纸涂黑，紧紧卷成细管，用胶带固定。你可以通过调整卷的层数来控制内径，使其刚好能套住LED。

安装方法：直接将准备好的管状物套在CPX板上标有“TX”的透明红外发射LED上。如果套不紧，可以用一小块可塑橡皮（Poster Putty，也叫蓝丁胶）在管子和板子之间粘一下。这种材料不残留胶痕，可反复使用，非常适合这种临时固定。

注意事项：枪管不宜过长，5-10厘米足矣。过长反而可能因为轻微的晃动导致瞄准线偏离更大。确保枪管内壁干净，无遮挡。安装后，你可以对着另一块板子的红外接收窗（RX）进行测试，会发现需要更精确的瞄准才能触发击中效果，游戏乐趣大大提升。

4.3 游戏规则扩展与实战技巧

基础版本已经很有趣，但你完全可以在此基础上定制自己的规则：

• 修改生命值：在初始化时，将health的初始值设为5或10，并在接收逻辑中判断hits >= 5等条件来触发死亡。同时，记得修改灯光反馈的逻辑，比如用hits * 2来控制点亮的灯数，让进度显示更合理。
• 添加复活机制：目前“阵亡”后需要手动复位（按一下板子背面的复位按钮）。你可以编程实现长按某个按钮（比如按钮B）来重置游戏状态：在当 按钮 B 被按下事件中，设置health为1，hits为0，并重置灯光为白色。
• 团队模式与颜色编码：如果你有超过两块板子，可以设计团队战。例如，为团队A的板子编程，使其只响应“蓝色”子弹（发送数字代表蓝色），被击中后亮蓝灯；团队B则响应“绿色”子弹。这样，通过发射不同颜色的信号，就能区分敌我，实现多人大乱斗。
• 增加声音多样性：除了被击毁时的音效，你还可以为每次被击中添加一个简短的“嘀”声，为每次发射添加一个“啾”的音效，让游戏反馈更丰富。MakeCode的音乐库提供了很多现成的音效和旋律。

实战对战时的小技巧：

1. 环境光干扰：强烈的日光或某些LED灯可能包含红外成分，偶尔会干扰接收。尽量在室内光线稳定的环境下游戏。
2. 瞄准要领：红外光沿直线传播。瞄准时，想象你手中的“枪管”需要射出一条直线，对准对方板子上那个黑色的红外接收窗口（RX）。有了枪管后，需要更精细的瞄准。
3. 距离测试：在开阔地，有效射程大约在3-5米。隔着手臂、薄衣服等障碍物，信号可能会衰减或中断。
4. 复位同步：一局结束后，双方需要同时复位板子（按下复位键或通过你编程的复位功能）才能开始新的一局，确保起点公平。

5. 常见问题排查与进阶思路

即使按照步骤操作，也可能会遇到一些小问题。下面是一个快速排查指南：

对于想要更进一步的玩家，这个项目可以作为一个跳板：

• 转向文本编程：尝试用CircuitPython（Adafruit基于Python的固件）重写这个游戏。你会对红外通信的底层协议（如NEC编码）有更深理解，并能实现更复杂的消息传递（如发送字符串命令、玩家ID、伤害值等）。
• 加入传感器：利用CPX上的加速度计，实现“甩枪上膛”或“躲避动作”（快速移动板子进入短暂无敌状态）的体感操作。
• 制作外观：用3D打印或纸板为你的“枪”和“靶子”制作一个炫酷的外壳，把它从一个开发板原型变成一个真正的玩具。

这个项目的精髓在于，它用最简单的硬件和直观的图形化编程，构建了一个包含完整状态逻辑和交互反馈的嵌入式系统。当你成功实现第一次对战射击时，那种亲手创造交互乐趣的成就感，是任何现成玩具都无法比拟的。