基于VERTER模块与3D打印的自动骰子摇动器DIY全攻略

1. 项目概述与核心价值

作为一个喜欢捣鼓电子制作和桌面小玩意儿的人，我一直在寻找那些能融合趣味性、实用性和一定技术挑战的项目。最近，我完成了一个自动骰子摇动器的制作，它完美地结合了3D打印、基础电路设计和简单的机械传动。这玩意儿看起来像个精致的桌面摆件，但按下按钮，内部的平台就会高速旋转，把上面的骰子抛得四处翻滚，实现完全随机的投掷效果。对于桌游爱好者来说，它是个酷炫的“物理随机数发生器”；对于教育者，它是一个绝佳的STEAM教学案例；而对于需要辅助科技的朋友，它则提供了一个无需手动摇晃骰盅的便捷方案。

这个项目的核心，是利用一个普通的130型直流电机，通过一个3D打印的传动轮，带动一个覆盖着绒布的平台旋转。控制部分则非常巧妙地使用了一块名为VERTER的电源管理模块，配合一个带LED的街机按钮，构成了整个系统的“大脑”和“开关”。整个制作过程涵盖了从阅读电路图、焊接电子元件，到组装3D打印结构件、调试机械传动的完整流程。虽然听起来组件不少，但每一步都有清晰的逻辑，即便是电子制作的新手，跟着步骤走也能顺利完成。接下来，我就把这个项目的完整制作过程、背后的设计思路，以及我踩过的一些“坑”和总结的经验，毫无保留地分享给大家。

2. 核心设计思路与方案选型

在动手之前，理清整个装置是如何工作的，以及为什么选择这些特定组件，远比直接焊接更重要。这能帮你理解每一个步骤的意义，甚至在出现问题时有能力自己排查。

2.1 系统工作原理与机械传动解析

整个装置的目标是让一个平台稳定、高速地旋转。其核心动力源是一个微型直流电机。直流电机通电即转，速度与电压大致成正比，结构简单，成本低廉，非常适合这种小功率、间歇性工作的场景。

但电机轴本身很小，如何平稳地驱动一个直径更大的平台呢？这里就用到了一个经典的机械结构：摩擦传动。我们会在电机轴上紧配安装一个小的3D打印驱动轮。这个驱动轮并不直接接触平台，而是与一个径向滚珠轴承（型号608ZZ）的内圈紧配。平台则安装在这个轴承的外圈上。当电机转动时，驱动轮带动轴承内圈旋转，通过轴承内部的滚珠，将旋转运动传递到外圈，从而带动平台。这种设计的精妙之处在于：

1. 稳定性：轴承保证了平台旋转的同心度和顺滑度，极大减少了晃动和摩擦。
2. 可维护性：平台可以轻松地从轴承上取下，方便更换内部的骰子或清洁。
3. 降噪：相比齿轮传动，摩擦传动在低速下更安静。

平台表面粘贴了绒布或丝绒纸，这绝不是为了美观。光滑的3D打印表面摩擦力不足，骰子可能只是在上面滑动而非翻滚。绒布粗糙的表面提供了足够的“抓地力”，能在平台旋转时有效地将骰子抛起、摔落，从而实现真正的随机滚动。

2.2 电路方案选择：为什么是VERTER？

这是本项目电路部分最值得探讨的一点。原始教程提供了两种电路方案：使用VERTER模块，或使用一个二极管进行简单降压。我强烈推荐使用VERTER方案，尽管它成本稍高（约10美元），但带来的便利性和可靠性是巨大的。

我们的电源是一块9V电池。而我们的负载有两个：

1. 直流电机：标称工作电压通常在3-6V之间。直接接9V，短时间可能超速运转，但长期会发热、损坏甚至烧毁。
2. LED按钮：内部的LED通常需要3V左右的电压，且必须串联限流电阻。

如果使用二极管方案，其原理是利用二极管的正向压降（约0.7V）来降低电压。但这种方法问题很多：压降不精确、会随电流变化、效率低（电能以热量形式消耗在二极管上），并且无法为LED提供稳定的5V电压，需要额外计算并焊接电阻。

VERTER 5V USB Buck-Boost模块则是一个完整的电源管理解决方案。它是一个升降压转换器，意思是无论输入电压（VIN）是高于、低于还是等于5V，它都能输出稳定、干净的5V电压（VOUT）。在这个项目中：

• 输入（VIN）：接9V电池。
• 输出（VOUT）：提供稳定的5V。
• 优势：
  • 电机保护：稳定的5V完美匹配电机的工作电压，避免过压损坏。
  • LED驱动：直接为LED提供5V，模块内部已处理，无需外接电阻。
  • 简化布线：所有正极（电机、LED+、开关）都可以连接到VOUT+或5V，所有负极（GND）都连接到G，逻辑非常清晰。
  • 高效稳定：开关电源方案效率远高于线性降压（如二极管），电池续航更长。

所以，多花几块钱选择VERTER，你买来的是电路的简洁、稳定和安心，特别适合初学者。

2.3 组件清单与工具准备

在开始制作前，请对照清单准备好所有材料。除了电子元件，一些得心应手的工具能让过程愉悦十倍。

电子元件与结构件清单：

• 核心控制：VERTER 5V USB Buck-Boost 模块 x1
• 动力与输入：130型直流电机（带减速箱更佳） x1， 24mm LED街机按钮（透明） x1
• 电源：9V电池扣（带DC插头） x1， 9V碱性电池 x1
• 机械部件：608ZZ径向滚珠轴承 x1， 3.5mm立体声（TRS）面板安装插孔 x1
• 连接与结构：26AWG硅胶线（多色）若干， M2.55mm和M2.510mm平头螺丝及螺母若干， 塑料雪花球套件（108mm直径） x1
• 耗材：焊锡丝、热缩管、蓝丁胶或双面胶、丝绒纸
• 3D打印件：需要打印外壳底座、框架、按钮盒、上盖、顶帽、驱动轮、转盘，共计7个主要零件。文件可在Thingiverse等平台搜索“Automatic Dice Roller”找到。

推荐工具清单：

• 焊接三件套：可调温电烙铁、吸锡线或吸锡器、助焊剂。一个好用的烙铁是成功的一半。
• 钳子三兄弟：尖嘴钳（弯折引脚）、斜口钳（剪线剪引脚）、剥线钳（20-30 AWG规格）。不要试图用剪刀或斜口钳代替剥线钳，容易伤到铜丝。
• 辅助工具：第三只手（带放大镜）、万用表。第三只手在焊接小物件时是神器。万用表在调试阶段用于检查通断和电压，能快速定位问题。
• 组装工具：小号十字螺丝刀、镊子、可能需要的锉刀或砂纸（用于修整3D打印件）。

注意：购买直流电机时，注意区分有刷电机和无刷电机。本项目使用普通有刷直流电机即可。如果电机轴太光滑，可以考虑用一点胶水或钻孔加顶丝来固定驱动轮，但通常3D打印的紧配合就足够了。

3. 电路焊接与核心模块制作

电路部分是项目的“神经系统”，焊接质量直接决定了装置的稳定性和寿命。请务必在通风良好、光线充足的环境下操作，并养成“先断电、后操作”的习惯。

3.1 VERTER模块基础接线

我们首先将电源和总开关接到VERTER模块上，建立一个可独立供电和断电的系统基础。

1. 焊接电源开关：

• 准备：剪取两根约7-8厘米的导线（建议不同颜色，如红、黑）。用剥线钳剥去两端约3-4毫米的绝缘皮，并给裸露的铜丝上锡（即用烙铁融化一点焊锡包裹住线头），这能防止线头散开，便于焊接。
• 处理拨动开关：开关通常有三个引脚。我们只需要用到其中两个（通常是中间引脚和任意一侧引脚）。用斜口钳小心剪掉不需要的那个外侧引脚。
• 焊接：将开关用第三只手固定。先给剩下的两个开关引脚上一点锡。然后将两根导线分别焊接到这两个引脚上。焊点应呈光滑的圆锥形，牢固包裹引脚和导线。

2. 连接开关至VERTER：

• 将开关上的一根导线焊接到VERTER模块上标有“EN”的引脚。EN是“Enable”的缩写，即使能引脚，接高电平（通过开关接电源）模块才工作。
• 将开关上的另一根导线焊接到VERTER模块上标有“G”或“GND”的引脚。这是电路的公共接地端。
• 至此，通过这个开关，我们就能控制整个VERTER模块的供电与否。

3. 焊接电池扣：

• 将9V电池扣的DC插头剪掉，留下红黑两根线，同样进行剥线和上锡处理。
• 非常重要：区分正负极。红线是正极（+），黑线是负极（-）。
• 将红线焊接到VERTER上标有“VIN+”的引脚。
• 将黑线焊接到VERTER上标有“VIN-”的引脚。
• 焊接完成后，可以装上9V电池，打开开关。此时VERTER模块上的绿色电源指示灯应该点亮。如果不亮，立即关闭开关，用万用表检查：电池是否有电？开关焊接是否虚焊？导线与引脚连接是否牢固？

3.2 驱动电机与按钮的接线

接下来，我们将执行机构（电机）和输入设备（按钮）接入系统。

1. 改造并连接直流电机：

• 原电机自带的导线通常很短。我们需要将其更换。小心地用烙铁加热电机引脚上的旧焊点，取下旧导线。
• 准备两根新导线：一根黑色（约10厘米，作为地线），一根红色（约15厘米，作为电源线）。剥线、上锡后，焊接到电机引脚上。注意电机极性：通常直流电机正反接只会改变转向，对本项目影响不大，但为了规范，我们可以约定红线接“+”极。
• 将电机的黑线（地线）直接焊接到VERTER模块上任意一个“G”引脚。电机的地线回路就此建立。

2. 焊接LED街机按钮：

• 这个按钮内部集成了一个微动开关和一个LED灯，底部有四个引脚。我们需要先辨认：通常，靠近按钮边缘的两个引脚是微动开关的；中间或靠里的两个引脚是LED的（有正负极之分，一般标有“+”或更长的引脚是正极）。
• 准备三根导线（约10厘米）：两根红色（一根给LED正极，一根给开关），一根黑色（给LED负极）。给所有导线和按钮的四个引脚都上锡。
• 焊接LED部分：将一根红线焊接到LED的正极（+）引脚，黑线焊接到LED的负极（-）引脚。
• 焊接开关部分：将另一根红线焊接到微动开关的任意一个引脚上。另一个开关引脚暂时空着。
• 面板安装：将按钮从3D打印的“按钮盒”内侧穿过安装孔，从外侧用配套的塑料六角螺母拧紧固定。

3. 完成电路连接：

• 将按钮上连接LED正极的红线，焊接到VERTER模块上标有“5V”的输出引脚。这个5V是专门为LED等小功率设备提供的稳定电压。
• 将按钮上连接LED负极的黑线，焊接到VERTER模块上任一个“G”引脚。
• 关键一步：创建电机启动回路。将电机那根长长的红线（电源线），焊接到按钮上那个还未接线的微动开关引脚上。
• 最后，将按钮上连接微动开关的红线（即步骤2中焊接到开关上的那根），焊接到VERTER模块上标有“VOUT+”的引脚。VOUT+是主输出，能提供更大的电流给电机。

此时电路逻辑已完整：按下按钮 -> 微动开关闭合 -> 电机的电源线（通过按钮）与VERTER的VOUT+接通 -> 电机与VERTER、电池形成回路 -> 电机转动。松开按钮，回路断开，电机停转。同时，只要VERTER通电，LED就会一直亮起，作为电源指示灯。

3.3 辅助TRS插孔与最终测试

TRS插孔是一个扩展接口，允许你外接一个更大的按钮或开关，这对于辅助科技应用非常有用——用户可以用脚踩开关或特制的大按钮来控制。

1. 焊接TRS插孔：

• TRS插孔有三个触点：Tip（尖）、Ring（环）、Sleeve（套）。对于简单的开关功能，我们需要将Tip和Ring短路（连接在一起），作为一个触点；Sleeve作为另一个触点。
• 剪取两根导线，剥线上锡。将一根导线穿过Tip和Ring的焊孔，然后用焊锡将这两个触点和导线牢牢焊接在一起，形成“桥接”。
• 将另一根导线焊接到Sleeve触点上。

2. 接入电路：

• 将来自Tip/Ring的那根导线，焊接到VERTER模块的“VOUT+”引脚（与按钮开关线接在同一处）。
• 将来自Sleeve的那根导线，焊接到直流电机红色电源线与按钮微动开关引脚的连接点上。你可以将这三根线（电机红线、按钮开关线、TRS线）的裸露部分拧在一起，然后整体焊接，形成一个公共连接点。

3. 功能测试：

• 在焊接过程中或完成后，务必进行阶段性测试。
• 装上电池，打开总开关。此时VERTER指示灯和按钮LED应常亮。
• 测试按钮：按下街机按钮，电机应立即转动，带动驱动轮（如果已安装）。松开即停。
• 测试TRS插孔：找一个废弃的3.5mm耳机插头，将其插入TRS插孔。用镊子或导线短路耳机插头的“尖”和“套”部分（对应我们桥接的Tip/Ring和Sleeve），电机应该同样转动。这模拟了外接开关的动作。

实操心得：焊接多个导线到一个点时（如VOUT+引脚），容易因热量不足导致虚焊。技巧是：先用烙铁给引脚上足够的锡，然后快速将所有已经上过锡的线头同时插入熔化的锡堆中，移开烙铁，保持不动直到锡点冷却凝固。这样能形成一个牢固、光亮的焊点。

4. 机械结构组装与调试

电路部分测试无误后，我们就可以将其“封装”进3D打印的外壳里，并组装传动机构了。这部分就像在组装一个精密的模型，需要耐心和对齐。

4.1 主体框架与电子模块安装

首先，将所有的电子部件固定到3D打印的底座和框架上。

1. 安装TRS插孔：将TRS插孔从3D打印框架的内侧插入预留的圆孔，从外侧用配套的六角螺母拧紧固定。注意整理好后面的导线，避免被螺母压到或过度弯折。
2. 固定VERTER模块：将VERTER电路板对准底座上的两个立柱（standoffs），使用两颗M2.5*5mm的平头螺丝，从电路板上方拧入立柱，将VERTER牢牢固定在底座上。
3. 安装拨动开关：将拨动开关从底座下方对准安装槽，以一定角度插入并用力按压，直到开关的拨杆从底座上方的开口露出。它应该依靠自身的卡扣结构固定，非常牢固。
4. 安装直流电机：将直流电机按压进底座侧面的电机座中。注意电机的方向，确保其轴朝向中心，并且电机引线朝向电机座的开口缺口，以便导线引出。
5. 合拢底座与框架：将安装好电子件的底座，与带有按钮盒和TRS插孔的框架部分对齐。框架内侧会有卡榫，底座边缘有对应的凹槽。对准后，均匀用力将两部分按压，直到听到“咔哒”声，表示卡扣已锁紧。这是整个组装中最有成就感的一步。

4.2 动力传动系统组装

这是让装置“动起来”的核心机械部分，精度要求较高。

1. 安装轴承：取出608ZZ轴承，将其内圈对准底座中心柱顶部的圆形凸台。用手掌均匀用力向下按压，直到轴承完全贴合底座。这个过程可能需要较大的力气，确保轴承安装平整，没有歪斜。
2. 安装驱动轮：将3D打印的驱动轮中心孔对准电机轴，用力按压到底。理想状态是紧配合，不需要胶水。如果太松，可以在电机轴上缠绕一两圈电工胶带增加摩擦力；如果太紧，可以用小锉刀或砂纸稍微打磨驱动轮的中心孔。
3. 处理转盘：
   • 增加表面摩擦力：用转盘作为模板，在丝绒纸上画圆并剪下。使用双面胶或少量手工白胶，将丝绒纸平整地粘贴在转盘的上表面。这能确保骰子被有效搅动。
   • 安装转盘：将转盘中心的孔对准已安装好的轴承外圈，轻轻按压下去。转盘应平稳地坐在轴承外圈上，并且能用手轻松拨动、自由旋转。如果转不下去或有卡滞，检查轴承外圈和转盘内孔是否有3D打印残留的毛刺，用刀片或砂纸清理。

4.3 最终整合与功能测试

现在，将剩余的外壳和装饰件装上，并进行最终的整体测试。

1. 安装电池：将9V电池连接到电池扣上。在电池背面贴上一小块蓝丁胶或双面泡棉胶，然后将其粘贴在底座内部空闲的位置。整理好导线，避免被转动的部件卷入。
2. 安装上盖与顶帽：
   • 先将透明的顶帽与上盖通过卡扣结构组装在一起。注意对齐卡扣，可能需要一点角度先扣上一侧，再按压另一侧。
   • 然后将整个上盖组件，扣合到主体框架的顶部。同样通过卡扣固定，四周应严密合缝。
3. 安装雪花球：最后，将塑料雪花球（作为观察窗和装饰）拧到顶帽的螺纹上。通常旋转1.5圈左右即可拧紧。
4. 最终测试与调试：
   • 打开底部的电源开关，按钮LED应亮起。
   • 放入几颗骰子（建议从2-3颗开始），按下按钮。转盘应迅速启动并高速旋转，骰子在绒布面上剧烈跳动、翻滚。
   • 观察与聆听：运转应平稳，无剧烈抖动或刮擦声。电机声音应是平稳的“嗡嗡”声，而非吃力的“嘎嘎”声。
   • 测试TRS外接功能（可选）。

5. 常见问题排查与深度优化指南

即使严格按照步骤，组装过程中也可能遇到一些小问题。这里我总结了一份排查清单和优化建议。

5.1 电路功能故障排查

5.2 机械结构与打印问题处理

• 转盘旋转不平稳、晃动大：
  • 根本原因：轴承内圈与底座凸台、或轴承外圈与转盘内孔的配合公差不佳。
  • 解决：这是3D打印项目的常见问题。首先确保轴承安装绝对水平。如果转盘孔太小，用圆锉或砂纸包裹笔杆，轻轻打磨扩大内孔。如果轴承在凸台上松动，可以在凸台上薄薄地涂一圈瞬间胶（如401胶水），再压入轴承，胶水会填充缝隙。
• 驱动轮打滑，无法带动转盘：
  • 原因：电机轴与驱动轮孔配合过松，或驱动轮与转盘接触面摩擦力不足。
  • 解决：在电机轴上涂少量厌氧胶（如螺丝胶），再插入驱动轮，待其固化。切勿使用502等硬质胶水，否则无法拆卸。也可以在驱动轮与转盘接触面粘贴一圈橡胶圈或砂纸来增加摩擦。
• 打印件卡扣过紧或过松：
  • 过紧：用小型锉刀或砂纸，轻轻打磨卡扣的斜面或内部干涉区域。少量多次，反复试装。
  • 过松：在卡扣部位涂抹少量UV树脂或牙膏补土，固化后再打磨至合适形状。这是模型制作中的常用技巧。
• 电机噪音过大：
  • 原因：可能是电机与底座共振，或齿轮箱（如果使用减速电机）本身噪音。
  • 解决：在电机与3D打印底座之间垫一小块海绵双面胶或裁剪的EVA泡棉，可以吸收振动，显著降低噪音。

5.3 性能优化与个性化改造

基础功能实现后，你可以尝试以下优化，让你的摇骰器更强大、更个性。

1. 提升扭矩与载重：

   • 更换电机：使用TT减速电机（带齿轮箱），虽然转速会降低，但扭矩会大大增加，可以摇动更重的骰子或更多数量。
   • 修改传动比：在Fusion 360源文件中，增大驱动轮的直径。直径越大，在电机转速不变的情况下，传递给转盘的扭矩越大（原理类似杠杆）。但需注意不能太大，以免碰到外壳。
   • 升级电源：使用两节14500锂电池串联（约7.4V），并通过VERTER模块稳定输出5V。锂电池比9V碱性电池能提供更大的持续电流，动力更足。但务必配套充电和保护电路。

2. 增加趣味性与功能性：

   • 炫彩灯光：在顶盖内部增加一圈WS2812B可编程LED灯带，通过一个Arduino Nano控制。可以编程实现按下按钮时灯光闪烁、旋转时彩虹流光等效果。
   • 声音反馈：加入一个无源蜂鸣器，用单片机控制，在按下按钮或旋转结束时播放一段简短音效。
   • 定时与模式：加入单片机，实现“长按旋转3秒自动停止”、“双击切换旋转模式（快/慢）”等功能。这需要重新设计电路，将按钮和电机控制接入单片机GPIO。

3. 外观个性化：

   • 喷漆与上色：使用模型专用水补土和喷漆，为3D打印件上色。可以先喷一层底漆补土填补层纹，再喷涂主色。
   • 更换主题：修改3D模型，将外壳做成宝箱、魔法水晶球、太空舱等形状，让它的外观与你的桌游主题匹配。
   • 透明部件：如果使用透明或半透明PLA打印顶盖和转盘，并在内部加入LED，可以创造出非常炫酷的发光效果。

这个项目最吸引我的地方，在于它从一个简单的想法出发，通过清晰的工程路径得以实现。从电路板上微小的焊点，到3D打印件严丝合缝的卡扣，再到最后按下按钮时骰子清脆的滚动声，每一步都充满了动手创造的乐趣。它不仅仅是一个玩具，更是一个关于电源管理、信号控制、机械传动和工业设计的微型综合实践。当你遇到问题并最终解决它时，所获得的理解和成就感，是任何现成商品都无法给予的。希望这份详细的指南能帮助你顺利制作出自己的自动骰子摇动器，并在此基础上，创造出属于你的独特版本。