使用传感器创建有趣的作品

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

本文最初发布在deviceplus.jp网站上,而后被翻译成英语。

本系列文章将专注于通过使用Raspberry Pi制作的简单作品来学习制作电子设计的原理和基础知识。此次的分享嘉宾是伊藤尚未先生,一位媒体艺术家和作家,以讲解“更深层次的原理”而闻名。在本文中,我们将运用迄今为止所学到的所有原理和工作机制,来介绍创建新作品的技术和过程。

[目录]

  1. 前言
  2. 使用光反射器的设计
  3. 关于电路板设计
  4. 结论

1. 前言

很高兴再次见到大家,我是伊藤尚未。最近,我在不同的地方举办了几场电子设计研讨会,包括一些作品的展览。我从这些经历中学到了很多。从本系列文章整体上看,今天这篇文章是第四篇。我们将使用我在第三篇文章中介绍的传感器来构建一些简单的作品,让我们开始吧!

2. 使用光反射器的设计

光反射器RPR-220是红外LED和光电晶体管的组合,可通过将光反射到物体上来检测物体存在与否。如果您阅读技术规格书,可以看到其中写着适用于复印机或办公自动化设备等应用,因此,这种产品可用来检测纸张、齿轮和凸轮等机械物体的运动和位置。

Raspberry Pi and sensors

可通过非接触方式检测齿轮转动

那么,可以用光反射器和Raspberry Pi做什么呢?上次我尝试了一个简单的实验,也就是使用一个LED,只要手指靠近它就会亮起。当我尝试各种其他实验时,我发现即使对象物体是透明的塑料,在某些条件下也会发生反应。但如果调整角度,比如使之倾斜,它可能就不反应了。我想可能是因为红外光会在塑料表面被反射回来,有一部分光进入了光接收单元。可以说,即使是透明物体,也并不意味着传感器不起作用,而是传感器的使用在不同的条件和环境下有其局限性。

所以您一定在想,“我能用这个做什么?”或“我能用这个做什么有趣的项目?”由于光反射器是用来检测物体的,毫无疑问它的作用是检测运动的物体。现在,让我们先来尝试连接4个光反射器。

Raspberry Pi motion detectors

我们来看看将它们水平排列,是否可以检测运动。我在脑海中试着模拟了一下……结果差强人意!一定是天气太热了!但责怪天气炎热并不能解决任何问题。

无论如何,关键在于如何让项目变得“有趣”。

如果手指或物体的运动是主要运动,最好将其更改为次要运动,然后检测到这种运动并根据检测结果进行某些控制,这个想法怎么样?也就是说,让开关并不是直接按下按钮就可以打开,而是可以通过更困难的动作来打开。在这样做的过程中,手和手指的运动会产生意想不到的动作。

基于上述想法,我尝试布局4个传感器,但不是直线的,而是十字形的。把它们固定到电路板上,但不是面包板上。这个电路板用于连接元器件,但我认为它还有另外一个功能,就是起到固定元器件的作用。为了减少摇晃,并使之能够承受外部冲击,这次我们将使用电路板(尽管如此,也还是有些限制的)。当然,也有人采取的是将元器件插入面包板并用热熔胶枪固定的“实力行动”,但说实话与其这样,还不如采用焊接的方式。

3. 关于电路板设计

电路板设计实际上比想象的要难。在本文中,我使用了通用电路板。但从另外的角度看,印刷电路板的设计非常灵活,因而设计本身是非常有趣的。尽管如此,由于涉及蚀刻和钻孔等许多麻烦的工作,哪种方式更好真的取决于个人判断。

这一次,我们使用了15 x 15孔的通用电路板。由于4条电路呈十字形排列,因此每个单元采用相同的排列就可以了。 这里所说的“单元”其实只是一个光反射器和一个电阻器。
现在,由于我想让GND通用,所以我采用回转的布局方式,将连接到Raspberry Pi的 GPIO的引脚部分尽量都配置在一个位置。电源等也是与GPIO输入/输出分开布局的。

GPIO on Raspberry Pi

这部分经常有人会看错。上图是从元器件侧观看的电路板视图。而焊接面(也就是实际连接线路的那面)则如下图所示:

GPIO on Raspberry Pi solder side

接下来我们进入焊接部分。由于这次我们使用的是通用电路板,因此将使用器件引脚和镀锡线等进行焊接。既然说到了焊接,我想借此机会复习一下焊接的基础知识。

GPIO on Raspberry Pi solder how-to

实际上,焊接效果取决于所用电烙铁的性能,而且在很大程度上取决于烙铁头的状况。如果能使用可调节温度的昂贵焊接工具当然很好,但就我而言,由于我经常教孩子,所以我用的是孩子们可以用自己的零花钱买得到的相对便宜的电烙铁。

关键点是要适度加热需要焊接的点,直到焊料能薄薄地均匀地熔化在烙铁头上。这个“适度”部分是最难把握的,但“熟”能生巧。由于焊接也是一种技术,因此,您可以通过认真地练习来掌握这门技术。

焊接完成后,电路板就制作完成了。

GPIO on Raspberry Pi circuit board

我的焊接技术并不是很高,所以在此献丑了,背面(焊接面)是下面这样的感觉:

GPIO on Raspberry Pi circuit board soldered

然后,我将完成的电路板放入下面这样一个盒子里。做一个十字形的切口,把光反射器嵌在里面。将一颗弹珠放在这个切口中并倾斜盒子使之滚动。这里的机理是当弹珠滚动时光反射器会做出反应。我们暂且称之为“倾斜控制器”吧。

Katamuki Controller

然后,我们将它插入到Raspberry Pi的GPIO接口,让它能够工作起来。您可以使用这款倾斜控制器来让电机运转,不过我先尝试了一种最简单、最基本的项目——让小猫动起来【这里的“小猫”是指儿童编程软件Scratch的吉祥物Scratch猫-译注】。我尝试在Scratch上创建了下面的程序:

Controller

GPIO使用 4、17、22和27,并使它们保持在Pullup状态。由于是Pullup状态,所以正常传感器的值为1。如果光反射器有反应,传感器值就会变成0。小猫会根据变为0的GPIO值来改变移动方向。

可以看到,猫会沿着倾斜方向行走。

结论

我的一些熟人是优秀的工程师,但他们当中有些人从未焊接过。其实焊接本身出乎意料地有趣,所以希望大家务必尝试一下。

焊接似乎成了本文的主题,但我认为更重要的是“有趣的创意和实现创意的技术”。 下一篇文章中,我想谈谈使用监视器屏幕作为界面能实现什么。

DevicePlus 编辑团队
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