使用Raspberry Pi進(jìn)行傳感器輸入實驗

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(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。

在本系列文章中，主要是通過使用Raspberry Pi創(chuàng)建的簡單項目來學(xué)習(xí)電子設(shè)計的原理和基礎(chǔ)知識。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。本文將探討傳感器輸入實驗。

[目錄]

1. 前言
2. 電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理
3. 傳感器概述
4. 光電晶體管與GPIO的連接
5. 光反射器與GPIO的連接
6. 結(jié)論

1. 簡介

這個世界每天都在飛速發(fā)展，很多人跟不上發(fā)展的步伐，并非他們對新事物不感興趣，而是在各個方面與時俱進(jìn)實在是心余力絀。因此，我會先對各類不同事務(wù)進(jìn)行思考，然后整理思考結(jié)果并確定我應(yīng)該做的事情，專注于我認(rèn)為有趣的事情并全身心投入去做，這就是今天我在這里所做的工作的源動力。

2. 電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理

在上一篇文章中我們用的是直流電機(jī)。我在汽車模型、塑料模型和無線電控制模型方面有著豐富的經(jīng)驗。我認(rèn)為直流電機(jī)就像是能量轉(zhuǎn)換的代表，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成動能。下面通過簡單的原理圖來具體說明。

當(dāng)然，基本原理是電流產(chǎn)生的磁場會影響永磁體（鐵氧體磁鐵）的磁場，從而產(chǎn)生等于動能的物理力。想知道這個機(jī)理是什么嗎？對，就是弗萊明左手定則。大家應(yīng)該都聽說過吧。

弗萊明左手定則
首先，您應(yīng)該知道，弗萊明定則分為右手定則和左手定則。拇指、食指和中指互相垂直，分別代表三維XYZ軸。拇指代表力的方向，食指代表磁場的方向，中指代表電流流動的方向。

通過使自己的左右手?jǐn)[成這種造型，即可直接了解這三者之間的關(guān)系。將肘部彎曲并暫且將手拉至胸前，然后將肘部向左右45度方向伸展，并大聲說“耶！” 關(guān)鍵在于左右手的形狀。一只手代表電機(jī)的原理，另一只手代表發(fā)電機(jī)的原理，怎么樣？大家還記得哪只手代表電機(jī)哪只手代表發(fā)電機(jī)嗎？

一只手代表通過電能產(chǎn)生動能的電機(jī)；另一只手代表通過動能創(chuàng)造電能的發(fā)電機(jī)。對于慣用右手的人而言，很容易就能記住右手是勤勤懇懇不斷運(yùn)動的“發(fā)電機(jī)”，那么左手就是動作不夠麻利的“電機(jī)”。接下來，讓我們進(jìn)入主題，嘗試通過Raspberry Pi使用傳感器。

3. 傳感器概述

一提到傳感器，大家就會想到一個以電子方式檢測某些條件狀態(tài)的裝置或電子器件。具體有哪些條件狀態(tài)呢？包括光、聲音、溫度、濕度、傾斜度以及加速度等。比如在我們的日常生活中離我們很近但我們卻不想經(jīng)歷的火災(zāi)報警器，配有能夠感應(yīng)溫度和煙霧的傳感器，當(dāng)溫度和煙霧達(dá)到一定條件時即會觸發(fā)警報機(jī)制。另外，數(shù)碼相機(jī)也配備有光傳感器?，F(xiàn)在的傳感器已經(jīng)非常先進(jìn)，甚至可以通過人工智能（AI）技術(shù)分析圖像和識別固體物，這種識別能力已經(jīng)超過了傳感器本身的功能。

可以想象一下，當(dāng)您走在街上，聽到有人喊您，如果遇到心里想“這是誰來著?”的情況，此時此刻，真希望自己的大腦能連接AI設(shè)備啊。
總之，電子作品可以使用的設(shè)備、元器件及其工作機(jī)制種類繁多，還有一些產(chǎn)品可以像擴(kuò)展組件一樣與微控制器相連，并直接獲取數(shù)據(jù)。在本文中，我們將回歸基礎(chǔ)，使用一種叫做“光電晶體管”的光傳感器。以前，提到光傳感器，就是指硫化鎘（CdS）光敏電阻，這是一種一旦接收到光其電阻值就會下降的元件。顧名思義，這種傳感器采用硫化鎘制成，但出于環(huán)保方面的考慮，這種傳感器的使用已經(jīng)越來越少。

NJL7502L光電晶體管（左）和2個硫化鎘光敏電阻（右）

這種光電晶體管采用半導(dǎo)體制成，與一般的雙極晶體管結(jié)構(gòu)相同。二者唯一的區(qū)別是光電晶體管的輸入是光。

圖形符號

從圖形符號來看，這種晶體管與NPN型晶體管相似，但沒有B端（基極），取而代之的是一個箭頭。這個箭頭代表光，因此B端（基極）輸入的并非電流，而是入射光。也就是說，C端（集電極）到E端（發(fā)射極）之間輸出的是光的強(qiáng)弱。具有根據(jù)光的情況進(jìn)行放大或開關(guān)的功能。

光電晶體管與GPIO的連接

我們嘗試將光電晶體管與Raspberry Pi上的GPIO相連。使用的語言是Scratch，傳感器的取值方法與開關(guān)相同，為1和0。

這個電路簡直太簡單了，簡單到甚至讓人懷疑用這個電路到底能不能工作，那么就讓我們來試一試吧。
當(dāng)沒有光射入光電晶體管時，輸入設(shè)置為“pullup”，因此開關(guān)ON。也就是說，此時值為1。有光射入時，在光電晶體管的作用下，輸入變?yōu)樨?fù)值，開關(guān)OFF，值變?yōu)?。

聲明GPIO，然后將輸入GPIO設(shè)置為“pullup”，通過小貓編程軟件【應(yīng)該是指兒童編程軟件Scratch-譯注】輸出結(jié)果。將光照射在傳感器上，或用手遮住傳感器部分擋住光，可以看到值變成1或者0。這里我們使用的是光傳感器，大家也可采用其他不同的傳感器來試一試制作不同的作品。例如，采用溫度傳感器——熱敏電阻，創(chuàng)建一個當(dāng)溫度升高時可以打開電機(jī)送風(fēng)的裝置；還可與濕度傳感器配合使用，創(chuàng)建中暑警報器等作品?？傊?，GPIO輸入真的非常方便！

通過光來檢測物體的傳感器

在很多情況下，光電晶體管可能會受到周圍環(huán)境光的影響。當(dāng)然，在黑暗的環(huán)境中這種傳感器就沒有用武之地了。因此，與LED結(jié)合使用，也就是與光源配對使用光電晶體管，效果會更好。這種配對使用的元器件有很多種，具體的結(jié)構(gòu)和檢測方法等也不盡相同。

光斷續(xù)器是將光電晶體管與LDE成直線配置，使LED的光直接輸入到光電晶體管，當(dāng)有物體穿過它們當(dāng)中并遮擋光線時，就會檢測到該物體的一種感測裝置。此類設(shè)備一般用于工廠生產(chǎn)線和打印機(jī)等設(shè)備中，所以我們在生活中并不常見。

光反射器則是將LED和光電晶體管安裝在同一方向，當(dāng)有物體通過它們前面時，就會檢測到反射光的一種感測裝置。最常見的應(yīng)用是公共衛(wèi)生間的自動沖水傳感器。

光電耦合器由LED和光電晶體管配對組成，但這種產(chǎn)品不是用來檢測其間物體的，而是用來通過光傳輸信號的。因此，光電耦合器并不是傳感器，但因其同樣使用了光源和光接收器件而暫且列為傳感器的伙伴吧。光電耦合器無需連電即可傳輸信號，因此適用于注重電路安全的應(yīng)用，以及向電氣特性不同的電路傳輸信號的應(yīng)用。

光反射器與GPIO的連接

此次，我們打算使用ROHM的RPR-220光反射器。這種光反射器由LED和晶體管組成，接下來我們來了解一下它們的特性。

RPR-220

首先，LED部分的電壓和電流分別為1.34V和50mA，光電晶體管部分集電極電流為300mA，因此LED電源需要使用3.3V的Raspberry Pi電源引腳，連接51Ω的限流電阻器，并與LED部分連接。這種LED的光是紅外光，肉眼無法直接看到，但使用數(shù)碼相機(jī)可以很清楚地看到它在發(fā)光。

光電晶體管部分的電路與之前的電路相同。這樣，就可以發(fā)揮傳感器的作用了。我們暫且嘗試了讓LED自行點亮。當(dāng)然，也可以像之前一樣，嘗試讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來。

面包板組裝示意如圖如下：

Scratch程序示意如圖如下：

完成以上步驟后，當(dāng)傳感器前面有東西時，LED就會點亮。

看！LED點亮！

在光反射器的結(jié)構(gòu)是發(fā)光單元和光接收單元分開配置在封裝內(nèi)部的。由于是用來反射光的產(chǎn)品，所以如果有什么東西與封裝緊密接觸，光接收單元就無法很好地接收反射光。對于RPR-220來說，距離封裝6mm為宜。因此，可能設(shè)想創(chuàng)建一些通過玻璃或亞克力板放置什么東西的項目比較好。

4. 結(jié)論

這次我們嘗試了傳感器輸入實驗，進(jìn)一步了解了通過簡單的原理來處理傳感器的方法。但我們不能就此止步。我希望繼續(xù)探索具體應(yīng)用，嘗試做有趣的項目，或者創(chuàng)建一些實用產(chǎn)品。在下一篇文章中，我們將會運(yùn)用迄今為止所學(xué)到的原理和工作機(jī)制，來介紹創(chuàng)建具體作品的技術(shù)和過程。

雖然通過實驗來驗證原理和工作機(jī)制非常重要，但我更期望在不斷創(chuàng)新的同時，能夠更多地思考在哪方面可進(jìn)行更深入的探索，不斷拓展應(yīng)用范圍。

DevicePlus 編輯團(tuán)隊

設(shè)備升級版適用于所有熱愛電子和機(jī)電一體化的人。

審核編輯黃宇