基于 Seeed XIAO欧亿 SAMD21 与 OLED 扩展板的智能手电筒设计

本文介绍了一款基于 Seeed Studio XIAO SAMD21（XIAO M0） 微控制器及其 XIAO 扩展板 实现的基于智能手电筒。系统以 3.7V 锂离子电池供电，展板使用扩展板集成的智电筒欧亿充电管理与电源系统，并通过 AO3400 N 沟道 MOSFET 驱动高功率 LED 阵列。设计借助 XIAO 扩展板上的基于 SSD1306 OLED 显示屏，手电筒可实时显示亮度百分比，展板并通过摇杆式按键实现四档光照模式（20%、智电筒40%、设计100%、基于关闭）的展板循环切换。本文从设计动机、智电筒硬件架构、设计欧亿电路设计、基于软件控制策略、展板机械结构和装配流程等方面，智电筒对该“过度工程”的智能手电进行系统性阐述。

在野外露营、户外探险和应急照明等场景中，便携式手电筒是必备工具。市售手电虽然种类丰富，但在以下方面仍存在局限：

• 亮度档位可定制性差；

• 不具备状态反馈（如电量或亮度信息）；

• 扩展性与可编程能力有限。

为满足个人露营需求，作者设计了这款 智能手电筒，目标包括：

1. 具备多档亮度控制：支持不同环境下的照明需求；

2. 可视化亮度信息：通过 OLED 显示亮度百分比与当前模式；

3. 基于 XIAO 的可编程平台：便于日后扩展功能；

4. 结构一体化：通过 3D 打印实现定制外壳。

项目使用了 XIAO SAMD21 开发板 + XIAO 扩展板 作为控制与电源核心，通过 MOSFET 驱动自制 2835 LED 阵列，实现高电流、大面积泛光的照明效果。

系统可分为以下几个部分：

1. 控制与电源模块

• XIAO SAMD21 M0 微控制器

• XIAO 扩展板（含锂电充电电路、电源管理及 SSD1306 OLED）

• 3.7V、2000 mAh 锂离子电池

• AO3400 N 沟道 MOSFET（SOT-23 封装）

• MOSFET 栅极电阻：10 kΩ（0603 封装）

• LED 阵列负载（8 颗 2835 白光 LED）

• 自制铜包板（LED Board）

• 8 颗 2835 封装白光 LED 并联

• 每对 LED 串联 5.6 Ω 电阻（2512 封装），用于限流

• XIAO 扩展板上的 SSD1306 OLED 显示屏

• 触发按键 – 摇杆式开关

• 3D 打印外壳（主壳体 + PCB 支架）

• XIAO SAMD21 M0 开发板

• XIAO Expansion Board（带 OLED 与充电电路）

• 3.7V 锂电池，容量约 2000 mAh

• LED 白光 2835 封装 × 若干

• 5.6 Ω 电阻（2512）

• AO3400 N 沟道 MOSFET（SOT-23）

• 10 kΩ 电阻（0603）

• 摇杆式按键（Push Button – Rocker Switch 风格）

• 若干导线、M2 螺丝

• 3D 打印外壳与 LED PCB 支架

本设计中，XIAO 扩展板同时承担：

• 锂电池充电与保护；

• 为 XIAO 与 OLED 提供稳定电源（约 3V/3.3V）；

• 对外提供 3V 电源端口，用于驱动 LED 负载（通过 MOSFET 控制）。

• MOSFET 型号：AO3400 N 沟道 MOSFET

• 接线关系：

• 栅极（G）：通过 10 kΩ 电阻连接至 XIAO 的 D2 引脚；

• 漏极（D）：连接至 LED 负载的负极；

• 源极（S）：连接至扩展板 GND；

• LED 负载正极：接 XIAO 扩展板的 3V 输出端。

这种典型的**低端开关（Low-side Switch）**结构，使得高电流从电源 → LED → MOSFET → 地构成闭合回路，微控制器仅通过控制栅极电压来开关或调制电流。

普通 MCU I/O 引脚典型输出能力约为 20–30 mA，只适合驱动单颗小功率 LED。而本项目中的 LED：

• 采用 2835 封装白光 LED，高亮度，单颗电流可达 200–500 mA；

• 多颗并联后，整体电流可能达到 2 A 量级。

若直接用 XIAO 的 I/O 引脚驱动：

• 将远超引脚电流能力；

• 可能烧毁芯片或造成不稳定工作。

采用 MOSFET 作为开关器件，可以：

• 通过 I/O 提供极小的栅极驱动电流；

• 让 MOSFET 承担大电流的开关任务；

• 通过 PWM 信号控制栅极，实现亮度调节。

手电主体采用两部分结构：

1. 主机身（Main Body）

• 内部放置 XIAO 扩展板与锂电池；

• 右侧区域安装扩展板，使 OLED 可侧向可视；

• 上表面为摇杆开关安装位置，便于单手握持与拇指操作。

• 前部为 PCB Holder，用于固定自制 LED 板；

• 整体与主机身螺丝连接，便于拆装维护。

建模使用 Autodesk Fusion 360 完成。

• 主体材料：紫色 PLA（主壳体），透明 PLA（LED Holder），以兼顾强度与透光效果；

• 打印参数参考：

• 喷嘴：0.4 mm

• 层高：0.2 mm

系统软件采用 Arduino 框架开发，主要包括两阶段：

1）简单开关测试； 2）最终多档亮度与 OLED 显示控制。

用于验证 MOSFET 驱动路径是否正常：

若 LED 能以 1 秒周期闪烁，则说明：

• MOSFET 接线正确；

• 电源与 LED 负载路径正常；

• MCU 控制输出无误。

主控逻辑：

• 使用一个按键（摇杆开关）切换模式；

• 模式按顺序循环：

• 模式 1：关闭（OFF）

• 模式 2：20% 亮度

• 模式 3：40% 亮度

• 模式 4：100% 亮度

• 模式 5：再次关闭（OFF）

• OLED 以竖屏方式显示当前亮度百分比或“OFF”。

完整示例代码如下：

工程上可进一步加入按键去抖（硬件 RC / 软件定时）、长按/短按区分等，丰富交互方式。

1. 使用电烙铁从 XIAO 扩展板上拆除原有 LED、按键、电池等器件；

2. 将扩展板固定在 3D 打印主机身内预留位置，通过底部开窗方便走线；

3. 使用 4 颗 M2 螺丝将扩展板牢固固定；

4. 将 3.7V 锂电池放入机身内部电池仓，并连接至扩展板电池接口；

5. 打开扩展板上的电源开关，若 XIAO 状态 LED 点亮，说明供电正常。

1. 将 LED 负载焊接并固定在 PCB Holder 上，使用 2 颗 M2 螺丝锁紧；

2. 连接：

• LED 负极 → MOSFET 漏极；

• LED 正极 → XIAO 扩展板 3V 端子；

至此，智能手电筒的硬件与结构装配全部完成。

将系统带到野外环境进行实测：

• 光束为泛光型（Flood Light），照射范围宽广，适合照明营地或近距离活动区域；

• 相比传统聚光手电，本设计更强调面积覆盖而非远距离照射；

• 不同亮度档位可在省电与亮度之间灵活切换：

• 20%：适合近距离看地图、找物品；

• 40%：适合普通夜间行走；

• 100%：适合大范围照明或复杂地形检查。

OLED 屏以百分比形式直观显示当前亮度，有利于快速确认工作模式。

作者计划在后续的 V2 版本 中进行以下优化：

1. 减少线材与飞线：

• 将 MOSFET 开关电路与 LED 阵列集成到同一块 PCB 上；

• 缩短信号与电源路径，增强可靠性。

• 针对手持手感进一步优化外形；

• 提高防尘、防溅水能力。

• 增加电池电量指示；

• 增加闪烁模式 / SOS 模式；

• 优化按键逻辑，支持长按关灯、双击爆闪等高级控制方式。

本文展示了一款基于 XIAO SAMD21 + XIAO 扩展板 + AO3400 MOSFET + 自制 LED 阵列 的智能手电筒，从设计动机到实现细节完整覆盖了：

• 高功率 LED 负载的 MOSFET 开关驱动方法；

• 利用现成扩展板实现锂电充电与系统供电；

• 使用 OLED 屏实现亮度信息可视化；

• 通过 3D 打印实现定制结构与人机工程设计。

从工程实现角度看，该项目虽被作者称为“过度工程”，但正是这种“过度”，让一个日常工具兼具了可玩性、可扩展性与技术深度，非常适合作为 电源管理 + 大电流驱动 + 嵌入式 UI + 3D 结构设计 的综合实践案例。

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