第1篇：通过Raspberry Pi闪烁LED项目学习欧姆定律、GPIO和晶体管知识
第2篇：通过Raspberry Pi使用LED和电机：如何处理大电流
第3篇：使用Raspberry Pi进行传感器输入实验

在本系列连载中，主要是通过使用Raspberry Pi创建的简单项目来学习电子制作的原理和基础知识。此次的分享嘉宾是伊藤尚未先生，他活跃于媒体艺术领域，并且以讲解“更深层次的原理”的书籍而闻名世界。在上一篇文章中，我们学习了使用Raspberry Pi进行传感器输入实验，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。

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[目录]

1. 前言
2. 使用反射式光电传感器的设计
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（以后是不是可以不必再自我介绍了？）。最近，我在不同的地方举办了几场电子制作研讨会，也展出了我的一些作品。我从这些经历中学到了很多。从本系列连载整体上看，这篇文章是第四篇。这次我们将使用我在第三篇文章中介绍过的传感器来构建一些简单的作品，让我们开始吧！

2. 使用反射式光电传感器的设计

反射式光电传感器RPR-220是红外LED和光电晶体管相结合的产品，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和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。

那么，可以用反射式光电传感器和Raspberry Pi做什么呢？在上一篇文章中我们尝试了一个简单的实验，也就是当手指靠近LED时LED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，在某些条件下传感器也会发生反应。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，有一部分光进入了感光单元。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。

至少传感器的反应超出了我的预期，这让我倍加激动，直呼“这个作品太棒啦！”……对了，在Raspberry Pi的阈值方面是不是可以做点工作呢？

所以您一定在想，“我能用这个做什么呢？”或“我能用这个做什么有趣的项目呢？”由于反射式光电传感器是用来检测物体的，毫无疑问在项目中它的作用是检测物体的运动。让作品唱着“YOU YOU YOU”的歌曲使什么动起来虽然也可以，但是不够有趣。不管怎样，我们先来尝试连接4个反射式光电传感器吧（增加数量大作战，轻松简便不费事……）。

我们来看看将它们水平排列，是否可以检测物体运动。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，怎样让项目变得“有趣”，这才是重点。

如果手指或物体的运动是主要运动，将其特意更改为次要运动，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，而是可以通过与“打开开关”没有直观联系的动作来打开这样一来，手和手指的运动会产生意想不到的动作，这个创意有点类似于日本的落语【类似中国的单口相声，但表现形式不同】在“紧张后的放松能带来欢笑”的情节。

基于上述想法，我尝试布局了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，这次我决定使用电路板（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，我使用了万用电路板。但从另外的角度看，印刷电路板的设计灵活度非常高，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诸多麻烦的工作，哪种方式更好真的取决于个人判断。

这一次，我使用了15 x 15孔的万用电路板。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”其实只是一个反射式光电传感器和一个电阻器。

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。

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：

接下来我们进入焊接部分。由于这次我们使用的是万用电路板，因此需要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。

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态。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，由于我经常给孩子们授课，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”是最难把握的部分，但“熟”能生巧。焊接也是一门技术，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。

我的焊接技术并不是很高，在此献丑了，背面（焊接面）是下面这样的感觉：

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，把反射式光电传感器嵌在里面。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反射式光电传感器会做出反应。我们暂且称之为“倾斜控制器”吧。

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按照预期运转，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】。我尝试在Scratch上创建了下面的程序：

GPIO使用 4、17、22和27接口，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。如果反射式光电传感器有反应，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，小猫会沿着倾斜方向移动。

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。

希望了解更多有关反射式光电传感器（光遮断器）基础知识的读者朋友，欢迎访问ROHM官网的“电子小百科”！

本系列连载的内容

第1篇：通过Raspberry Pi闪烁LED项目学习欧姆定律、GPIO和晶体管知识
第2篇：通过Raspberry Pi使用LED和电机：如何处理大电流
第3篇：使用Raspberry Pi进行传感器输入实验
第4篇：使用传感器轻松制作有趣的项目（本文）
第5篇：制作卡通角色随风摆动就能绘制图形作品的装置
第6篇：制作一款图形处理装置，用数字控制自然力

伊藤 尚未

日本电子制作普及推进委员会代表、媒体艺术家。作为科普作家、假扮动物园管理员的电工、理科实验课堂讲师、工作坊讲师、教材开发人员等，积极参与各种活动。 在月刊《儿童科学（诚文堂新光社）》连载电子制作项目长达19年，代表著书有《电子制作大图鉴》、《电子制作完美指南》。