英國廣播公司Micro:bit可調(diào)亮度報(bào)警器：無線電Shack混音器

在這篇項(xiàng)目文章中，我們將創(chuàng)建一個(gè)可編程設(shè)備，提醒用戶環(huán)境光照水平的變化。在此過程中，我們將了解非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和達(dá)林頓對(duì)。

這款Radio Shack Classics Circuit Remix將BBC micro:bit和老式的Science Fair Sensor Robot 20套件組合成一款設(shè)備，可以監(jiān)測光照水平，并在亮度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)觸發(fā)聲音警報(bào)。通過整合這些組件，我們旨在說明micro:bit的多功能性和經(jīng)典業(yè)余愛好者工具包的持久教育價(jià)值。

與本系列的前幾篇文章一樣，這個(gè)項(xiàng)目基于老式套件手冊中的一篇文章——我們只是通過使用micro:bit板作為光傳感器并調(diào)整光檢測閾值來更新它，以包含現(xiàn)代微控制器功能。

與原始模擬設(shè)置相比，這具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一方面，數(shù)字處理的使用允許對(duì)傳感器進(jìn)行更復(fù)雜的控制。我們可以在代碼內(nèi)設(shè)置和調(diào)整光感閾值，而不是手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)撥盤。micro:bit還可以處理光數(shù)據(jù)以應(yīng)用過濾器或平均值，確保光水平的瞬態(tài)變化不會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)警報(bào)。

此外，micro:bit允許將光級(jí)數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)為數(shù)字信息，或在監(jiān)視器上直觀顯示。添加了另一層功能，micro:bit的LED既可以作為視覺指示器，也可以作為光傳感器。

圖1顯示了已完成的項(xiàng)目，我們稱之為混音亮度警報(bào)。

圖1 完整的混音亮度報(bào)警。圖片由Don Wilcher提供

注：Radio Shack出售了兩個(gè)不同版本的項(xiàng)目套件，如圖所示。我們使用的版本是在1988年推出的，但Radio Shack 1985年的目錄中提供了一個(gè)略有不同的Sensor Robot 20套件。我們也在使用版本2 micro:bit。

經(jīng)典亮度報(bào)警項(xiàng)目

圖2顯示了Sensor Robot實(shí)驗(yàn)室手冊中出現(xiàn)的原始亮度報(bào)警項(xiàng)目說明。

圖2:原始Sensor Robot 20手冊中的亮度報(bào)警項(xiàng)目說明。圖片由Don Wilcher提供

圖3提供了電路原理圖的特寫視圖。

圖3 原始手冊中的亮度報(bào)警示意圖。圖片由Don Wilcher提供

此版本的亮度報(bào)警包括五個(gè)電子子電路：

1. 硫化鎘光敏傳感器（I4）。

2. 50 kΩ電位計(jì)。

3. 達(dá)林頓電路（Q1和Q2）。

4. 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Q3、Q4和RC負(fù)載）。

5. 晶體管驅(qū)動(dòng)的壓電蜂鳴器電路（Q5和壓電晶體）。

經(jīng)典項(xiàng)目使用硫化鎘（CdS）光敏電阻來檢測光。CdS光電池根據(jù)照射在其上的光強(qiáng)度改變其電阻。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位計(jì)來控制光探測器的靈敏度。

達(dá)林頓電路、非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和壓電蜂鳴器電路出現(xiàn)在該項(xiàng)目的經(jīng)典和混音版本中。我們稍后將在文章中討論它們的操作。然而，亮度報(bào)警的重新混合用micro:bit微處理器板取代了CdS電池和50kΩ電位計(jì)。此功能將經(jīng)典的亮度報(bào)警升級(jí)為可編程的光傳感器，能夠記錄光照水平數(shù)據(jù)并以數(shù)字方式調(diào)整檢測閾值。

混音亮度報(bào)警器的設(shè)計(jì)與操作

圖4說明了混音亮度報(bào)警的各個(gè)部分是如何協(xié)同工作的。除了BBC micro:bit，所有顯示的部件都包含在傳感器機(jī)器人套件中。

圖4 混音亮度報(bào)警框圖。圖片由Don Wilcher提供

micro:bit既充當(dāng)光傳感器，又充當(dāng)設(shè)備的大腦。當(dāng)它檢測到環(huán)境光水平超過編程閾值時(shí)，它會(huì)偏置達(dá)林頓電路。達(dá)林頓電路激活基于晶體管的壓電蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)音。這種音調(diào)的頻率由非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器決定。

正如我們已經(jīng)提到的，光檢測閾值在micro:bit的代碼中設(shè)置，可以根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行調(diào)整。一旦我們完成了物理電路的組裝，我們將在本文稍后討論編程過程。然而，在此之前，讓我們檢查一下亮度報(bào)警的各種子電路的操作。

Micro:bit微處理器板

圖5顯示了版本2 BBC micro:bit的布局。

圖5 BBC micro:bit的布局（版本2）圖片由microbit.org提供

LED既可以作為光發(fā)射器，也可以作為光探測器。當(dāng)光線照射到LED的P-N結(jié)時(shí)，由于光電效應(yīng)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電流。此屬性允許micro:bit使用其5x5 LED矩陣作為光傳感器。

為了測量光線，micro:bit會(huì)短暫地反向偏置LED，使其充當(dāng)電容器。micro:bit然后測量LED放電所需的時(shí)間。我們可以通過這需要多長時(shí)間來判斷有多少光照射到LED上——光越亮，放電發(fā)生得越快。然后，放電時(shí)間被轉(zhuǎn)換為0到255的數(shù)字值，表示檢測到的光水平。

在完成的器件中，micro:bit的P0引腳連接到達(dá)林頓電路的兩個(gè)NPN晶體管中的第一個(gè)。當(dāng)檢測到的光照水平大于編程閾值時(shí)，它會(huì)觸發(fā)以下事件序列：

micro:bit向其P0引腳輸出3V邏輯高信號(hào)，該引腳連接到達(dá)林頓電路的第一個(gè)NPN晶體管（Q1）。

P0引腳向Q1的基極發(fā)送小電流，使Q1導(dǎo)通。

由于Q1導(dǎo)通，達(dá)林頓電路（Q2）中的第二晶體管也導(dǎo)通。這就完成了壓電蜂鳴器的電路。

現(xiàn)在工作的壓電蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警音。

當(dāng)光照水平低于編程閾值時(shí)，P0引腳保持邏輯低電平，達(dá)林頓電路保持關(guān)閉，蜂鳴器靜音。

達(dá)林頓電路

達(dá)林頓電路，也稱為達(dá)林頓對(duì)，由兩個(gè)串聯(lián)的NPN晶體管（Q1和Q2）組成。當(dāng)小電流流入第一晶體管的基極時(shí)，它會(huì)觸發(fā)第二晶體管。每個(gè)晶體管進(jìn)一步放大信號(hào)，從而顯著提高電流增益。

圖6顯示了典型的達(dá)林頓對(duì)。

圖6 達(dá)林頓基本配置。圖片由Don Wilcher提供

在混合亮度報(bào)警中，達(dá)林頓電路是必要的，因?yàn)閴弘姺澍Q器需要比micro:bit直接提供的電流更多的電流。達(dá)林頓對(duì)中的第一個(gè)晶體管放大來自micro:bit的小信號(hào)，而第二個(gè)晶體管向蜂鳴器提供電流。放大過程確保即使是最小的輸入信號(hào)也足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。

這種設(shè)計(jì)還降低了micro:bit的功耗，如果您選擇使用電池為微處理器板供電，這很方便。micro:bit可以使用3V電池組或插入個(gè)人電腦的標(biāo)準(zhǔn)USB電纜供電。

可控多諧振蕩器和壓電蜂鳴器電路

亮度報(bào)警電路的核心是由兩個(gè)NPN晶體管（Q3和Q4）構(gòu)建的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。不穩(wěn)定多諧振蕩器在兩個(gè)狀態(tài)之間連續(xù)振蕩，而不管外部輸入如何，產(chǎn)生一致的方波信號(hào)。振蕩頻率由亮度報(bào)警的電容器（C1和C2）和電阻器（R1、R2、R3和R4）的值決定。

非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸出端連接到另一個(gè)NPN晶體管（Q5）的基極。該晶體管用作控制壓電蜂鳴器的開關(guān)。當(dāng)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器產(chǎn)生邏輯高輸出時(shí)，Q5導(dǎo)通，允許電流流過壓電蜂鳴器并產(chǎn)生聲音。當(dāng)亮度水平超過設(shè)定閾值時(shí)，這種快速切換會(huì)產(chǎn)生我們聽到的警報(bào)音。

壓電蜂鳴器本身是一個(gè)傳感器，它將多諧振蕩器的電脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲波。

為了確定非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路的輸出頻率，我們使用以下方程：

解釋：

f=報(bào)警音的頻率

R1=電阻器R1的值，該值也是R4的值

R2=電阻器R2的值，該值也是R3的值

C=電容器C1的值，這也是C2的值

對(duì)于亮度報(bào)警電路，我們將使用以下電阻和電容值：

R1=1 kΩ

R2=10 kΩ

C=0.047μF

如果我們將這些值代入上述方程，我們得到：

如上述方程式所示，您可以通過選擇不同的電阻器和電容器來調(diào)整報(bào)警音的頻率。

組裝項(xiàng)目硬件

我們現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好把所有東西放在一起了。圖7顯示了混音亮度報(bào)警的完整示意圖。

圖7 混音亮度報(bào)警示意圖。圖片由Don Wilcher提供

大多數(shù)接線說明與項(xiàng)目經(jīng)典版本中的接線說明相同。您可以在圖2中找到這些說明。然而，我們?nèi)匀恍枰獙icro:bit連接到設(shè)備的其余部分。這是使用兩條帶鱷魚夾的測試引線完成的。

圖8顯示了micro:bit和傳感器機(jī)器人套件之間的兩個(gè)接線連接。為了便于參考，我對(duì)兩條測試引線進(jìn)行了顏色編碼。

將micro:bit連接到傳感器機(jī)器人套件。

圖8 micro:bit通過兩根測試引線連接到Sensor Robot套件，一根連接到P0，另一條連接到GND。圖片由Don Wilcher提供

程序如下：

將紅色測試引線的一端連接到micro:bit的焊盤P0，另一端連接到傳感器機(jī)器人套件的彈簧端子30。彈簧端子30連接到偏置達(dá)林頓對(duì)的33k?串聯(lián)電阻器。

將黑色測試引線的一端連接到micro:bit的GND焊盤，另一端連接到套件的彈簧端子3。彈簧端子3是傳感器機(jī)器人套件9 V電池的負(fù)極/接地側(cè)。

Micro:bit編程

現(xiàn)在我們已經(jīng)組裝好了硬件，我們需要在micro:bit中編程一個(gè)光檢測閾值；我的代碼如下所示。

設(shè)置亮度警報(bào)的光檢測閾值的MicroPython代碼。

在上面的代碼中，THRESHOLD變量設(shè)置了光照水平閾值。您可以根據(jù)需要調(diào)整閾值，以適應(yīng)不同的環(huán)境光照條件。

MicroPython代碼持續(xù)從micro:bit的LED矩陣中讀取光照水平，并將其與閾值進(jìn)行比較。如果檢測到的光照水平超過閾值，P0引腳將設(shè)置為邏輯高，激活達(dá)林頓電路并觸發(fā)壓電蜂鳴器。如果光照水平低于閾值，P0引腳將設(shè)置為邏輯低，使蜂鳴器靜音。

您可以使用Mu這樣的編程平臺(tái)輕松地將MicroPython代碼加載到micro:bit中。最終的十六進(jìn)制代碼可以閃存編程到micro:bit。

編程替代方案

MicroPython不是你唯一的選擇。您還可以在MicrosoftMakeCodemicro:bit編程環(huán)境中輕松開發(fā)光檢測代碼（圖9）。可以在這個(gè)在線編程環(huán)境中查看等效的JavaScript和Python代碼。

圖9 Microsoft MakeCode模擬會(huì)話，其中micro:bit顯示光照水平和端口P0輸出控制。圖片由Don Wilcher提供

或者，您可以使用Blockly代碼塊對(duì)micro:bit進(jìn)行編程。如果你想添加或更改圖形，以及模擬micro:bit的光感測和控制功能，這種方法很有幫助。在內(nèi)置模擬器中，用戶可以嘗試各種閾值，并立即看到micro:bit的5x5 LED矩陣上顯示的響應(yīng)。

測試已完成的項(xiàng)目

一旦光檢測代碼被編程到micro:bit中，我們的項(xiàng)目就完成了！要測試亮度報(bào)警，請旋轉(zhuǎn)傳感器機(jī)器人套件上的藍(lán)色控制旋鈕將其打開。接下來，將合適的光源（例如手電筒）指向micro:bit的LED。您應(yīng)該聽到壓電蜂鳴器發(fā)出的警報(bào)聲。

嘗試將手電筒靠近或遠(yuǎn)離LED矩陣，以檢查亮度報(bào)警對(duì)不同光照水平的響應(yīng)。您還可以嘗試各種光源并觀察亮度警報(bào)的響應(yīng)。玩得高興！