第1篇：用Arduino控制曲別針電動(dòng)機(jī)

我們推出了一項(xiàng)新計(jì)劃，即通過使用了Arduino的簡(jiǎn)單制作來學(xué)習(xí)電子制作的原理和基礎(chǔ)知識(shí)。此次為我們分享的嘉賓是伊藤尚未先生，他活躍于媒體藝術(shù)領(lǐng)域，并且在書籍領(lǐng)域以講解“更深入的情節(jié)”而聞名。在第2篇中，我們將嘗試用Arduino制作非接觸式開關(guān)。

目錄

前言

非接觸式開關(guān)的種類

使用反射式光電傳感器

安裝外殼

非接觸式開關(guān)的靈活使用

1. 前言

大家好！我是伊藤尚未。

在全球病毒肆虐、醫(yī)學(xué)如此發(fā)達(dá)卻也難以找到突破口的情況下，再次讓我們認(rèn)識(shí)到一個(gè)事實(shí)：人類再偉大也只不過地球上的一個(gè)生物而已。

人類仍然在努力與敵人奮戰(zhàn)，但說實(shí)話已經(jīng)相當(dāng)疲憊了……

在醫(yī)療不發(fā)達(dá)的時(shí)代，遇到“流行病”可能需要依賴于祈禱。如今，已經(jīng)知道了病毒的存在，也知道了傳染途徑是接觸和飛沫，于是，洗手、酒精消毒等做法已經(jīng)滲透到我們生活中的方方面面。特別是與他人共用的門把手和開關(guān)等接觸點(diǎn)，都需要消毒。

當(dāng)然，比起以前，如今公共場(chǎng)所的馬桶和水龍頭，有很多是當(dāng)人站在前面或者伸出手時(shí)水就會(huì)自動(dòng)流出，這已經(jīng)成為司空見慣的事情。這就涉及到所謂的“非接觸式開關(guān)”了。這次就為大家介紹一下這種非接觸式開關(guān)的制作和控制相關(guān)的內(nèi)容。

伸手就能自動(dòng)出水的水龍頭

2. 非接觸式開關(guān)的種類

首先，讓我們了解一下非接觸式開關(guān)有哪些種類。當(dāng)環(huán)顧四周時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)有很多種不同開關(guān)，并且它們會(huì)根據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品和環(huán)境條件等被區(qū)分使用。下面我列舉幾種常見的非接觸式開關(guān)。

熱釋電型

使用“人體感應(yīng)傳感器”這一術(shù)語的產(chǎn)品較多，是一種能夠?qū)θ梭w發(fā)出的紅外線（熱量、體溫）做出反應(yīng)的產(chǎn)品，被用于正門的安全照明和自動(dòng)門傳感器等應(yīng)用。由于傳感器前面有一個(gè)半球形或管狀透鏡，因此可以很容易通過外觀來識(shí)別。

透鏡不同，其不同方向的靈敏度也不同，可能會(huì)產(chǎn)生盲區(qū)，還會(huì)檢測(cè)到紅外線的變化，因此這種傳感器貌似不太適合處理緩慢移動(dòng)的情況。

超聲波測(cè)距型

這種開關(guān)可以發(fā)射超聲波，通過探測(cè)到達(dá)物體并反射回來的超聲波來測(cè)量距離。以往常被用于測(cè)量河流水位的測(cè)量?jī)x器等應(yīng)用中，但近年來，其模塊產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于教學(xué)材料和業(yè)余愛好制作（比如機(jī)器人制作）等領(lǐng)域。

紅外線測(cè)距型

通過發(fā)射紅外線并測(cè)量從物體返回的反射光來測(cè)量距離。還有一種方式是通過三角測(cè)量法計(jì)算受光部分的光線返回角度來判斷距離，其精度因產(chǎn)品而異。

透過型

將紅外光發(fā)光部分和受光部分分開，利用在它們之間通過物體時(shí)會(huì)遮光的原理來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的一種感應(yīng)開關(guān)。這種方式由來已久，在某種意義上講可以說是一種很穩(wěn)定的檢測(cè)方式。由于其安裝位置固定，精度高，所以常被用于自動(dòng)扶梯、停車場(chǎng)出入口、檢票口等生活圈。

小型產(chǎn)品被稱為“光斷續(xù)器”，也被用來檢測(cè)間隙中是否有什么物體。這種產(chǎn)品還被用于工廠生產(chǎn)線和打印機(jī)紙張位置檢測(cè)等應(yīng)用，由于是安裝在看不見的位置，所以不太會(huì)引起注意。

反射型

這是一種我們很熟悉的開關(guān)方式，常被用于馬桶和水龍頭等應(yīng)用。開關(guān)根據(jù)有無紅外線的反射而判斷是否開啟，反應(yīng)精度很高。但是，如果在使用環(huán)境中有陽光或白熾燈泡照明等會(huì)發(fā)出紅外線的東西，尤其是在水龍頭等的傳感器部分附著有污垢或水滴等情況下，反應(yīng)就會(huì)變差。您是不是也有這樣的經(jīng)歷，即使伸出手，水也不會(huì)流出來，很不方便，對(duì)吧？

展示類開關(guān)

其實(shí)在我的周圍就有展覽設(shè)施用的開關(guān)。特別是科學(xué)館等動(dòng)態(tài)展品的啟動(dòng)開關(guān)就是其中之一。當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，展品開始移動(dòng)，解說視頻開始播放，這樣可以更直觀易懂地展示原理和機(jī)制。

不過這些開關(guān)也是傳染病控制對(duì)策中的消毒對(duì)象。不管對(duì)展覽是否感興趣，孩子們看到開關(guān)會(huì)饒有興致地按下去。尤其是在以往的展品中，大量使用了具有物理接觸點(diǎn)的開關(guān)。由于每天都有若干人多次按下，因此它們實(shí)際上是展品中最容易損壞的部分。而且，特別是當(dāng)開關(guān)的縫隙處積有灰塵時(shí)，從衛(wèi)生角度上看也非常不理想。

動(dòng)態(tài)展品示意圖

所以，這使我產(chǎn)生了用Arduino制作非接觸式開關(guān)的想法。

那么應(yīng)該制作哪種非接觸式開關(guān)呢？就上述各種開關(guān)方式而言，超聲波型必須物理打孔，很難制作；而從開關(guān)尺寸小、光束角窄方面來看，熱釋電型也不合適。另外，考慮到裝置的設(shè)計(jì)，透過型也不合適。

那么，非紅外線反射式開關(guān)莫屬了。如果是這種開關(guān)的話，就可以將其嵌入亞克力板的下部，消毒時(shí)可以對(duì)亞克力表面進(jìn)行消毒。

3. 使用反射式光電傳感器

雖然紅外測(cè)距傳感器也可以，但我希望配置簡(jiǎn)單一點(diǎn)，所以我考慮使用反射式光電傳感器。在這個(gè)項(xiàng)目中我使用了ROHM生產(chǎn)的名為“RPR-220”的傳感器。

RPR-220

該產(chǎn)品將紅外LED和光電晶體管并行封裝在了一個(gè)封裝中，也就是說，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、各器件分別獨(dú)立工作和感應(yīng)的產(chǎn)品。可以這么說，如果您知道每種器件的使用方法，您就可以構(gòu)建每種器件的電路，并根據(jù)需求制作一種合適易用的傳感器封裝。

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書提供的參數(shù)，我們以1.34V、50mA為基準(zhǔn)來驅(qū)動(dòng)紅外LED吧。由Arduino供電時(shí)，如果取自5V引腳，只要串聯(lián)一個(gè)73.2Ω的限流電阻器即可，為了留有余量，我們用稍大的75Ω限流電阻器吧。

光電晶體管部分是將電阻器連接到集電極，并將其設(shè)置為正極，從而可在電阻器和光電晶體管之間向Arduino進(jìn)行模擬輸入。

首先，我嘗試了10kΩ的電阻器。電路圖如下所示：

與面包板組裝后樣子如下：

至于草圖，則是直接使用例程（AnalogReadSerial），通過串行監(jiān)視器查看時(shí)，通常會(huì)看到值在800～900左右變化。

當(dāng)您用手試著蓋住傳感器部分時(shí)，該值將降至100左右。

我認(rèn)為這些表現(xiàn)也會(huì)受室內(nèi)和實(shí)驗(yàn)周圍光環(huán)境的影響，因此可能無法形成太大的參考，但不管怎樣，至少可以了解通過這樣的電路似乎可以檢測(cè)到手的有無。前面基本上講的是樣品制作本身相關(guān)的內(nèi)容。

接下來，讓我們用前面的制作進(jìn)行設(shè)置，使其可以當(dāng)做開關(guān)使用。

手形的設(shè)計(jì)和LED閃爍用來表達(dá)“請(qǐng)用手遮住這里”的含義。因此，電路設(shè)計(jì)如下。由于是用于演繹的LED，所以我用了4個(gè)，并用晶體管“2SC1740S”來驅(qū)動(dòng)。

2SC1740S

為了留出可以根據(jù)周圍的光環(huán)境在硬件方面進(jìn)行調(diào)整的空間，我將反射式光電傳感器的光電晶體管側(cè)的電阻改成了半固定安裝形式。

下面，使LED像緩慢跳動(dòng)一樣閃爍，并使其進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
當(dāng)把手遮蓋在它上面時(shí)，LED亮3秒鐘，用這個(gè)來表示開關(guān)打開。實(shí)際與萬用電路板進(jìn)行組裝后，看起來是這樣的：

Adruino草圖的程序如下：

我使用引腳9來實(shí)現(xiàn)用PWM控制LED閃爍。受到使用環(huán)境的影響，來自光電晶體管的信號(hào)會(huì)有一定程度的波動(dòng)，所以有一種可以用絕對(duì)值設(shè)置閾值的方法，讀取兩次以產(chǎn)生差值并使其在差值達(dá)到一定大小（在這里設(shè)置為10）以上時(shí)做出反應(yīng)。我認(rèn)為這種方法在有陽光射入的展覽空間等一天之內(nèi)光線環(huán)境會(huì)發(fā)生變化的場(chǎng)景下尤其有效。草圖中間有注釋的部分，在通過串行監(jiān)視器確認(rèn)其數(shù)值時(shí)可以適當(dāng)參考。

4. 安裝外殼

手形設(shè)計(jì)我用了黑色亞克力板，并使傳感器部分可以在亞克力板的另一面可以看得見。這種設(shè)計(jì)可以讓一定量的紅外線穿過黑色亞克力板，樣子看起來很簡(jiǎn)潔。

對(duì)于黑色亞克力板頂部的反應(yīng)，可以一邊確認(rèn)半固定電阻器和串行監(jiān)視器一邊調(diào)整閾值。

5. 非接觸式開關(guān)的靈活使用

以上的制作，在功能上暫且令人滿意。接下來，只要根據(jù)所采用的開關(guān)來考慮使用什么器件就可以了。

在這里，我是通過讓LED亮起來表示開關(guān)打開。同樣，如果您想讓某種弱電電路工作起來，也可以使用晶體管驅(qū)動(dòng)；如果是電源電壓波動(dòng)較大的應(yīng)用產(chǎn)品，還可以用光電耦合器或繼電器進(jìn)行保護(hù)。如果只是驅(qū)動(dòng)家電級(jí)別的設(shè)備，那么插入繼電器或SSR即可使之運(yùn)行起來。

就像這樣，根據(jù)所需條件進(jìn)行思考，就可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。希望大家也能從身邊熟悉的事物中激發(fā)創(chuàng)意，一起享受這種用Arduino控制非接觸式開關(guān)的樂趣。

在下一篇文章中，將為大家介紹用Arduino作為控制設(shè)備讓各種作品動(dòng)起來系列的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，敬請(qǐng)期待！

本系列連載一覽

第1篇：用Arduino控制曲別針電動(dòng)機(jī)
第2篇：非接觸式開關(guān)的制作與控制（本章）
第3篇：自制電磁執(zhí)行器的制作方法
第4篇：享受控制RGB LED燈的樂趣
第5篇：用Arduino控制伺服電機(jī)來演奏樂器！

伊藤 尚未

日本電子制作普及推進(jìn)委員會(huì)代表、媒體藝術(shù)家。作為科普作家、假扮動(dòng)物園管理員的電工、理科實(shí)驗(yàn)課堂講師、工作坊講師、教材開發(fā)人員等，積極參與各種活動(dòng)。 在月刊《兒童科學(xué)（誠文堂新光社）》連載電子制作項(xiàng)目長達(dá)19年，代表著書有《電子制作大圖鑒》、《電子制作完美指南》。

審核編輯黃宇