使用傳感器創(chuàng)建有趣的作品

這篇文章來(lái)源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。

本文最初發(fā)布在deviceplus.jp網(wǎng)站上，而后被翻譯成英語(yǔ)。

本系列文章將專注于通過(guò)使用Raspberry Pi制作的簡(jiǎn)單作品來(lái)學(xué)習(xí)制作電子設(shè)計(jì)的原理和基礎(chǔ)知識(shí)。此次的分享嘉賓是伊藤尚未先生，一位媒體藝術(shù)家和作家，以講解“更深層次的原理”而聞名。在本文中，我們將運(yùn)用迄今為止所學(xué)到的所有原理和工作機(jī)制，來(lái)介紹創(chuàng)建新作品的技術(shù)和過(guò)程。

[目錄](méi)

前言

使用光反射器的設(shè)計(jì)

關(guān)于電路板設(shè)計(jì)

結(jié)論

1. 前言

很高興再次見(jiàn)到大家，我是伊藤尚未。最近，我在不同的地方舉辦了幾場(chǎng)電子設(shè)計(jì)研討會(huì)，包括一些作品的展覽。我從這些經(jīng)歷中學(xué)到了很多。從本系列文章整體上看，今天這篇文章是第四篇。我們將使用我在第三篇文章中介紹的傳感器來(lái)構(gòu)建一些簡(jiǎn)單的作品，讓我們開(kāi)始吧！

2. 使用光反射器的設(shè)計(jì)

光反射器RPR-220是紅外LED和光電晶體管的組合，可通過(guò)將光反射到物體上來(lái)檢測(cè)物體存在與否。如果您閱讀技術(shù)規(guī)格書(shū)，可以看到其中寫(xiě)著適用于復(fù)印機(jī)或辦公自動(dòng)化設(shè)備等應(yīng)用，因此，這種產(chǎn)品可用來(lái)檢測(cè)紙張、齒輪和凸輪等機(jī)械物體的運(yùn)動(dòng)和位置。

可通過(guò)非接觸方式檢測(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)

那么，可以用光反射器和Raspberry Pi做什么呢？上次我嘗試了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，也就是使用一個(gè)LED，只要手指靠近它就會(huì)亮起。當(dāng)我嘗試各種其他實(shí)驗(yàn)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)即使對(duì)象物體是透明的塑料，在某些條件下也會(huì)發(fā)生反應(yīng)。但如果調(diào)整角度，比如使之傾斜，它可能就不反應(yīng)了。我想可能是因?yàn)榧t外光會(huì)在塑料表面被反射回來(lái)，有一部分光進(jìn)入了光接收單元?？梢哉f(shuō)，即使是透明物體，也并不意味著傳感器不起作用，而是傳感器的使用在不同的條件和環(huán)境下有其局限性。

所以您一定在想，“我能用這個(gè)做什么？”或“我能用這個(gè)做什么有趣的項(xiàng)目？”由于光反射器是用來(lái)檢測(cè)物體的，毫無(wú)疑問(wèn)它的作用是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的物體?，F(xiàn)在，讓我們先來(lái)嘗試連接4個(gè)光反射器。

我們來(lái)看看將它們水平排列，是否可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。我在腦海中試著模擬了一下……結(jié)果差強(qiáng)人意！一定是天氣太熱了！但責(zé)怪天氣炎熱并不能解決任何問(wèn)題。

無(wú)論如何，關(guān)鍵在于如何讓項(xiàng)目變得“有趣”。

如果手指或物體的運(yùn)動(dòng)是主要運(yùn)動(dòng)，最好將其更改為次要運(yùn)動(dòng)，然后檢測(cè)到這種運(yùn)動(dòng)并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行某些控制，這個(gè)想法怎么樣？也就是說(shuō)，讓開(kāi)關(guān)并不是直接按下按鈕就可以打開(kāi)，而是可以通過(guò)更困難的動(dòng)作來(lái)打開(kāi)。在這樣做的過(guò)程中，手和手指的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生意想不到的動(dòng)作。

基于上述想法，我嘗試布局4個(gè)傳感器，但不是直線的，而是十字形的。把它們固定到電路板上，但不是面包板上。這個(gè)電路板用于連接元器件，但我認(rèn)為它還有另外一個(gè)功能，就是起到固定元器件的作用。為了減少搖晃，并使之能夠承受外部沖擊，這次我們將使用電路板（盡管如此，也還是有些限制的）。當(dāng)然，也有人采取的是將元器件插入面包板并用熱熔膠槍固定的“實(shí)力行動(dòng)”，但說(shuō)實(shí)話與其這樣，還不如采用焊接的方式。

3. 關(guān)于電路板設(shè)計(jì)

電路板設(shè)計(jì)實(shí)際上比想象的要難。在本文中，我使用了通用電路板。但從另外的角度看，印刷電路板的設(shè)計(jì)非常靈活，因而設(shè)計(jì)本身是非常有趣的。盡管如此，由于涉及蝕刻和鉆孔等許多麻煩的工作，哪種方式更好真的取決于個(gè)人判斷。

這一次，我們使用了15 x 15孔的通用電路板。由于4條電路呈十字形排列，因此每個(gè)單元采用相同的排列就可以了。 這里所說(shuō)的“單元”其實(shí)只是一個(gè)光反射器和一個(gè)電阻器。
現(xiàn)在，由于我想讓GND通用，所以我采用回轉(zhuǎn)的布局方式，將連接到Raspberry Pi的 GPIO的引腳部分盡量都配置在一個(gè)位置。電源等也是與GPIO輸入/輸出分開(kāi)布局的。

這部分經(jīng)常有人會(huì)看錯(cuò)。上圖是從元器件側(cè)觀看的電路板視圖。而焊接面（也就是實(shí)際連接線路的那面）則如下圖所示：

接下來(lái)我們進(jìn)入焊接部分。由于這次我們使用的是通用電路板，因此將使用器件引腳和鍍錫線等進(jìn)行焊接。既然說(shuō)到了焊接，我想借此機(jī)會(huì)復(fù)習(xí)一下焊接的基礎(chǔ)知識(shí)。

實(shí)際上，焊接效果取決于所用電烙鐵的性能，而且在很大程度上取決于烙鐵頭的狀況。如果能使用可調(diào)節(jié)溫度的昂貴焊接工具當(dāng)然很好，但就我而言，由于我經(jīng)常教孩子，所以我用的是孩子們可以用自己的零花錢買得到的相對(duì)便宜的電烙鐵。

關(guān)鍵點(diǎn)是要適度加熱需要焊接的點(diǎn)，直到焊料能薄薄地均勻地熔化在烙鐵頭上。這個(gè)“適度”部分是最難把握的，但“熟”能生巧。由于焊接也是一種技術(shù)，因此，您可以通過(guò)認(rèn)真地練習(xí)來(lái)掌握這門技術(shù)。

焊接完成后，電路板就制作完成了。

我的焊接技術(shù)并不是很高，所以在此獻(xiàn)丑了，背面（焊接面）是下面這樣的感覺(jué)：

然后，我將完成的電路板放入下面這樣一個(gè)盒子里。做一個(gè)十字形的切口，把光反射器嵌在里面。將一顆彈珠放在這個(gè)切口中并傾斜盒子使之滾動(dòng)。這里的機(jī)理是當(dāng)彈珠滾動(dòng)時(shí)光反射器會(huì)做出反應(yīng)。我們暫且稱之為“傾斜控制器”吧。

然后，我們將它插入到Raspberry Pi的GPIO接口，讓它能夠工作起來(lái)。您可以使用這款傾斜控制器來(lái)讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，不過(guò)我先嘗試了一種最簡(jiǎn)單、最基本的項(xiàng)目——讓小貓動(dòng)起來(lái)【這里的“小貓”是指兒童編程軟件Scratch的吉祥物Scratch貓-譯注】。我嘗試在Scratch上創(chuàng)建了下面的程序：

GPIO使用 4、17、22和27，并使它們保持在Pullup狀態(tài)。由于是Pullup狀態(tài)，所以正常傳感器的值為1。如果光反射器有反應(yīng)，傳感器值就會(huì)變成0。小貓會(huì)根據(jù)變?yōu)?的GPIO值來(lái)改變移動(dòng)方向。

可以看到，貓會(huì)沿著傾斜方向行走。

結(jié)論

我的一些熟人是優(yōu)秀的工程師，但他們當(dāng)中有些人從未焊接過(guò)。其實(shí)焊接本身出乎意料地有趣，所以希望大家務(wù)必嘗試一下。

焊接似乎成了本文的主題，但我認(rèn)為更重要的是“有趣的創(chuàng)意和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的技術(shù)”。 下一篇文章中，我想談?wù)勈褂帽O(jiān)視器屏幕作為界面能實(shí)現(xiàn)什么。

DevicePlus 編輯團(tuán)隊(duì)

設(shè)備升級(jí)版適用于所有熱愛(ài)電子和機(jī)電一體化的人。

審核編輯：湯梓紅