基于SD卡的基因（DNA）炫酷LED桌面灯

一、介绍

这款LED灯通过人类的完整基因组点亮房间。它从SD卡中缓慢读取DNA代码，并将基因碱基对显示为颜色，这些颜色沿着螺旋结构向上移动。四个碱基—A、T、G和C—分别以红色、紫色、绿色和蓝色表示。它有一个电源按钮，以及底座上的速度和亮度调节旋钮。对于螺旋结构，我尽力使比例尽可能接近实际的DNA。这是一个让人陷入沉思的有趣灯具。因为大约有三十亿个碱基对，所以需要很长时间才能完整地展示一遍。

实物图如下：

视频如下：

DNA LAMP

一个已知的问题

这款LED灯在最快速度下应该每2毫秒显示一个新的碱基对。但实际上，它的移动速度比这慢得多。最初，我将整个染色体存储在一个文本文件中。Arduino会读取该文件，然后移动到下一个染色体/文件。我注意到，随着时间的推移，它似乎变得越来越慢，确实如此。我怀疑这种减速的原因是，寻找下一个字母的代码不得不遍历所有之前的字母。当它在文件的开头时，这不会花费很长时间，但当下一个字母是几百万个字母之后时，找到它需要一秒钟。

解决办法

为了解决这个问题，我改变了方式，不再是将整个染色体存储在一个文本文件中，而是将染色体分割成许多文件（每个文件100万个字母）。不幸的是，这并没有真正解决慢速问题。接下来，我尝试重新配置，以便SD卡上一次只保存一个染色体。这样的想法是，Arduino会读取该染色体的文件，完成后，用户将SD卡上的染色体文件替换为下一个染色体的文件。这确实提高了速度。

最后，我意识到在读取完文件后让代码删除文件也是一种帮助。仍然有改进的空间。我相信我的代码可以改进，但SD卡的读取速度以及Arduino的速度也可能限制了性能。

我认为这个项目处于一个即将成为中级开发者的初学者水平。这里是指南…

二、支持目录

材料准备

• LED灯（需要2串，每串11个LED灯（总共22个））
• PLA材料 - 绿色、灰色和透明色
• 2个电位计
• 1个按钮
• 可焊接的面包板
• 导线
• 5V电源线（我使用了一根USB电缆并将其切成两半，以便我可以焊接导线到面包板上）
• Micro SD卡
• Micro SD卡读取器
• Adafruit ItsyBitsy 32u4 3V
• 3-5个M3x6mm螺栓
• 电源锁存材料
• 1个2N3904晶体管
• 1个FQP27P06 MOSFET
• 2个二极管（我相当确定这是我使用的）
• 2个100千欧姆电阻
• 1个270欧姆电阻
• 1个10千欧姆电阻
• 1个13千欧姆电阻
• 1个12千欧姆电阻

LED灯光文件（我使用的PLA颜色）

• 1个DNA Lamp Bottom.stl（绿色）
• 1个DNA Lamp Base.stl（绿色）
• 22个DNA Lamp_crossbeam short.stl（透明色）
• 2个DNA Lamp_pillar base.stl（灰色）
• 2个DNA Lamp_pillar cap2.stl（灰色）
• 20个DNA Lamp_pillar.stl（灰色）

以上.stl模型下载的文件可以私信我获取

当然除了以上材料以外你还需要准备胶水等一些常用的工具。

三、 打印部件和焊接

1. 打印部件。如果我没记错的话，柱子需要支撑，接触构建板的地方需要一个边缘。
2. 将Arduino、SD卡读取器、电源锁存器以及连接到面包板的导线焊接起来。照片显示了最终的样子。不要焊接输入电源线。我是基于这个制作的电源锁存器。电源锁存器是必需的，这样Arduino在关闭之前就可以将其在DNA中的位置保存到EEPROM中。
3. 清理打印部件。

四、拼装打印的DNA散件

1. 剪下一段包含11个LED的灯带（确保在第11和第12个LED之间的中间剪断电线，这样第11个LED上就有一段电线可以用来焊接）。
2. 按照图片所示，将这些LED穿过10个柱子。每两个LED之间应该有一个柱子。
3. 这串LED中的最后一个（在第一个螺旋柱的顶部）将连接到第二串的第一个LED（在那个柱子的底部），因此需要在第11个LED上焊接一条电线到数据线（白色线）。然后，这条线需要穿过所有的柱子，以便所有四根线（三个LED输入线+这个输出数据线）都从柱子底部伸出。这个输出数据线最终将被拉伸到基座的底部以连接到另一串LED，所以确保它足够长（见图片）。
4. 为下一步做准备，剪下大约两打胶带来包裹柱子，以便在胶水干燥时将其固定在一起。
5. 使用泡沫/膨胀大猩猩胶将所有十个柱子部件粘合在一起，确保LED从柱子之间的孔中突出，如图片所示。LED应该相对松散且自由。用胶带包裹接合处。尽量减少胶水粘在柱子外部的数量。
6. 剪下另一段包含11个LED的灯带，并将它们穿过另外10个柱子。
7. 用另一串柱子重复粘合过程。

五、组合DNA螺旋结构

1. 将柱头帽和柱基座粘合到柱子上，确保将所有导线穿过基座部分的底部孔。对于每个“横档”，使用两个交叉梁部件，并将它们夹在一起，使得一个交叉梁部件在顶部，另一个在底部。这可能是一个紧密的配合，所以要做好心理准备。我使用透明大猩猩胶来粘合交叉梁。将一个交叉梁部件插入灯座部分的足迹中并粘合在那里。然后粘合两个柱子到基座上，确保将所有导线穿过基座的孔（如图）。然后在上面粘合另一个交叉梁，使其全部闭合在一起，第一个横档就完成了。
2. 将两个交叉梁粘合到所有其他“横档”上。
3. 对于接下来的步骤，面包板最终将安装在灯座部分，确保从螺旋顶部部分到面包板的导线足够长，以便顶部部分可以被移除并侧放以访问面包板（如图）。
4. 将通往第一柱子起始端的LED数据线焊接到面包板上的Arduino的第5脚。
   将之前从第一柱子最后一个LED末端伸出的LED数据线焊接到第二柱子的第一个LED上。
5. 将电源和地线焊接到两个LED柱子上。
6. 在灯座部分安装电位计和按钮，并焊接它们与面包板之间的所有连接。我使用了一些热熔胶来帮助固定电位计，以便在旋转时不会转动。我还在基座上用记号笔标记了电位计。
7. 使用M3x5螺栓将面包板安装到灯座底部。确保螺栓没有短路/连接面包板上的任何线路。我使用了一小块电工胶带作为临时的“垫圈”，将螺栓头与板子隔开。
8. 将电源线穿过灯座底部侧面的孔，然后将其焊接到面包板上的正确位置。

六、执行DNA文件

由于DNA文件大小为3GB，我无法将它们附加到本指南中。以下是获取它们的步骤：

1. 访问网站
2. 滚动到页面底部，打开染色体1的RefSeq链接。
3. 按照图片指示下载为FASTA文件。
4. 对其他染色体重复上述步骤。
5. FASTA文件包含了标题和N等不需要的内容。dna_processing.py 脚本可以去除所有这些内容，并创建只包含ATGC的文本文件。将所有文件和dna_processing.py文件移动到一个文件夹中。
6. 在dna_processing.py中，将chromosome_number设置为1来处理第一个染色体并运行代码。
7. 为每个染色体更改chromosome_number并重新运行代码。

我一开始没有理解的一件事是：'A’总是与’T’配对，'G’总是与’C’配对。因此，FASTA/文本文件中的所有字母只是每对的一半。例如，文件中的一个’A’意味着一个AT配对，这就是在螺旋的“横档”上显示的内容。

DNA执行文件可以私信我进行获取

七、程序烧录

DNA_Lamp_Clean.ino 和 functions.ino 构成了螺旋灯的主要程序。正如我之前所说，一个已知的问题是碱基对在螺旋中的移动速度没有我想象的那么快。理想情况下（在最快速度下），它们应该每2毫秒更新一次，但实际上（在SD卡上存放所有染色体文件的情况下），我测量的速度在80-500毫秒之间（有时候可能会更慢；我的测试并不全面）。让事情变快的一个方法是一次只在SD卡上放置单个染色体的文件，但这意味着当Arduino处理完这些文件后，你将不得不将下一个染色体的文件放到SD卡上。你可以通过在代码中更改 ONE_CHROM_AT_TIME 来配置（所有文件或仅单个染色体）。

在主程序中，每个文件播放完毕后都会有庆祝模式，因此我也附加了一个仅包含庆祝模式的程序。我是用ChatGPT生成这些模式的，这相当容易也很有趣。我只需坐下来，请求模式，然后看看它们看起来有多酷。如果你想修改主程序中的模式，这段代码很有帮助。或者你可能只想全程运行模式代码。

在所有内容都上传并工作后（确保也将上一步骤中生成的DNA文件放到micro SD卡上），使用2-4个M3螺栓将灯座和底部连接在一起。你可能需要用刀子将底部的孔稍微扩大一些。确保在两部分组合在一起时，没有任何导线被夹住，以及按钮和电位计上裸露的电气连接没有触碰/短路到面包板上的任何东西。

以上所涉及到的程序可以私信我进行获取

八、总结及成品展示

按下电源按钮可以打开灯具。要关闭它，按住电源按钮直到灯光停止移动。

最后，为灯具找个地方，坐下来，享受这场灯光秀。整个人类的基因组代码正在照亮你的房间。

希望你喜欢这个项目，并在构建过程中找到乐趣！如果你有任何问题或需要帮助，欢迎在评论区交流。

作者：Svan.

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