2026年9月12日星期六

樹藝AI故事機 V1.3：硬體設計與接線的重要觀念

Raspberry Pi Pico WJQ6500HC‑SR04硬體實作

樹藝AI故事機 V1.3：硬體設計與接線的重要觀念

一台可在展場主動歡迎參觀者、播放作品故事，並讓工作人員以手機網頁維護的故事機，並不是把模組接上就完成。真正決定系統是否穩定的，是電壓、共地、訊號方向與逐步測試這些看似基本、卻最容易被忽略的硬體觀念。

一、系統組成與角色分工

元件	工作角色
Raspberry Pi Pico W	系統控制核心：讀取超音波與按鈕、控制 LED、透過 UART 指揮 JQ6500，也提供 Wi‑Fi 網頁控制。
JQ6500 MP3 模組	從 microSD 卡讀取 001～006.mp3，驅動喇叭播放系統訊息、歡迎詞與內容。
HC‑SR04	量測參觀者與作品的距離，觸發歡迎詞與離開致謝詞。
三個按鈕與四顆 LED	提供參觀者內容選擇與現場可見狀態。

二、完整接腳圖

圖 1．Pico W、JQ6500、HC‑SR04、按鈕與 LED 的接線總覽。

圖中的 Pin 是 Pico W 排針的實體腳位；GP 則是程式中使用的 GPIO 名稱，例如 Pin(14) 代表 GP14，而不是實體 Pin 14。

三、第一原則：所有 GND 必須共地

Pico W、JQ6500、HC‑SR04、按鈕與 LED 必須共用同一個 GND。訊號電壓永遠是相對於 GND 而存在；若模組沒有共地，Pico W 讀到的 0 或 1 可能只是漂浮訊號，造成按鈕亂觸發、BUSY 不穩或超音波距離異常。

實作口訣：先接電源與 GND，再接訊號線；每加入一個模組，都確認它的 GND 已接回 Pico W。

四、5V 模組與 3.3V GPIO：ECHO 一定要分壓

HC‑SR04 以 Pico W 的 VBUS 5V 供電，但 ECHO 腳會輸出約 5V。Pico W GPIO 只能接受 3.3V 邏輯，不能將 ECHO 直接接到 GP15。

HC‑SR04 ECHO → 1 kΩ → GP15
GP15 → 2 kΩ → GND

分壓後的電壓約為 5V × 2kΩ ÷ (1kΩ + 2kΩ) = 3.33V，符合 Pico W GPIO 的安全範圍。

不可省略：把 HC‑SR04 的 ECHO 直接接 Pico W，可能損壞 GPIO。TRIG 是 Pico W 輸出訊號，可直接接到 HC‑SR04 TRIG。

五、UART 有方向：Pico W 指揮 JQ6500

連線	用途	程式對應
GP0（實體 Pin 1）→ JQ6500 RX	送出播放命令	`UART(0, tx=Pin(0), baudrate=9600)`
JQ6500 BUSY → GP20（實體 Pin 26）	回報播放中／未播放	`busy = Pin(20, Pin.IN)`
JQ6500 VCC ← Pico VBUS	5V 供電	硬體接線
SPK+／SPK− → 喇叭	音訊輸出	不可接到 GND

本作品實測 BUSY 在播放時約 2.4V、未播放時約 0V。因此它可接 Pico W 輸入腳，但不設定 PULL_UP 或 PULL_DOWN；程式再以短暫穩定時間過濾偶發跳動。

六、按鈕採 PULL_UP，LED 必須限流

三個按鈕分別接 GP10、GP11、GP12，另一端都接 GND。程式設定 Pin.IN, Pin.PULL_UP：未按下讀值為 1；按下接地後讀值為 0。V1.3 加入「按鈕放開鎖定」，按鍵必須先回到 1 才可再次播放，避免長按或接點不穩造成重播。

四顆 LED 分別由 GP16～GP19 控制，每顆均要串聯 220～330 Ω 電阻：

Pico GPIO → 220～330 Ω 電阻 → LED 正極（長腳）
LED 負極（短腳）→ GND

GPIO	顏色	意義
GP16	綠	待機
GP17	黃	開機、歡迎、致謝等系統語音
GP18	藍	作品內容播放
GP19	紅	超音波感測器連續量測失敗

紅燈是獨立診斷狀態，不應因為其他燈正在亮就被覆蓋；這是 V1.2 實測後修正的 LED 設計原則。

七、建議的硬體測試順序

只接 Pico W：確認 Thonny 能執行程式與儲存 main.py。
逐顆測 LED：確認開機依序亮綠、黃、藍、紅。
測 HC‑SR04：先列印距離，確認手靠近／移開數值合理，再加入濾波與離場判定。
測 JQ6500：確認 microSD 音檔連續編號 001～006，先播 004 開機訊息，再測各內容音檔。
測 BUSY：列印原始與穩定讀值，確認播放中為 1、未播放為 0。
接按鈕：逐一確認 GP10、GP11、GP12 按下只播放一次。
最後測 Wi‑Fi：手機連上 TreeAIStoryBot，開啟 http://192.168.4.1。

八、接線完成前檢查表

所有模組 GND 已共地。
HC‑SR04 ECHO 已經過 1kΩ／2kΩ 分壓。
JQ6500 喇叭接在 SPK+、SPK−，沒有接到 GND。
四顆 LED 都各自串聯 220～330Ω 電阻。
按鈕另一端都接 GND，程式使用 PULL_UP。
BUSY 接 GP20，且輸入腳未設 PULL_UP 或 PULL_DOWN。
microSD 音檔使用連續編號 001.mp3～006.mp3。

結語：樹藝AI故事機的互動看似由語音與按鈕完成，但背後依賴安全電壓、正確訊號方向、共同接地，以及「每接一項就測一項」的工程習慣。這些基礎做好後，故事機才能在展場穩定地把樹藝工坊的作品、材料與創作故事說給每一位參觀者聽。

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