什么是物理計算？

物理計算（PC）處理可以使用軟件和硬件感知和響應(yīng)其環(huán)境的構(gòu)建設(shè)備。與設(shè)備或?qū)ο蟮慕换ナ荘C的主要目標。 PC技術(shù)被藝術(shù)家和設(shè)計師用于創(chuàng)造互動藝術(shù)。

機電一體化是一個跨學(xué)科領(lǐng)域，使用電子電氣，機械和嵌入式軟件，使機械系統(tǒng)更加高效和智能化。電子傳感器收集與機械部件或致動組件的定位有關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)。嵌入式軟件將處理此定位數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制代碼中嵌入的邏輯進行機械調(diào)整。因此，機電一體化系統(tǒng)的核心是PC。

此外，PC依靠電子傳感器來獲得物理刺激，如光，溫度，壓力和聲音。電機和螺線管等執(zhí)行器為PC設(shè)備提供旋轉(zhuǎn)和線性運動。如果PC設(shè)備需要可視指示器，則使用LED，LCD，儀表和監(jiān)視器等電子設(shè)備來提供效果。此外，可以使用揚聲器和蜂鳴器實現(xiàn)聲音指示器或警報。憑借您在PC中的新知識，您現(xiàn)在可以了解簡單物體探測器傳感器如何與Pi Zero W一起工作。

簡單物體探測器傳感器如何工作？

簡單物體探測器是一種可以感應(yīng)光線水平變化的PC設(shè)備。光敏電阻檢測光照水平并將數(shù)據(jù)發(fā)送到Pi Zero W.Pi Zero W微控制器中嵌入的Python代碼將在HDMI監(jiān)視器上顯示數(shù)值。

因為Pi Zero W沒有沒有內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取變化的光級數(shù)據(jù)，使用電解電容。電解電容器通過光敏電阻產(chǎn)生的變化電流不斷充電和放電。 HDMI上顯示的數(shù)據(jù)是基于光敏電阻的變化電流的電解電容器的充電和放電電壓電平。圖1顯示了簡單物體探測器的電子電路原理圖。

圖1.物體檢測器電路圖。

圖2顯示了物體探測器設(shè)備中使用的1μF電解電容（C1）的充電和放電曲線。

圖2. C1電解電容的充電和放電圖。

對于圖2所示的圖，“x”軸是電壓為“y”的時間軸。通過了解光傳感器電路的工作原理，您就可以構(gòu)建基于PC的物體探測器了。

構(gòu)建簡單物體探測器

正如您從前面的討論中了解到的，物體探測器有兩個主要部分：光傳感器電路和微控制器。 PC設(shè)備的第三部分是聲音輸出警報。因此，簡單物體探測器有三個主要部分：光傳感器，微控制器和聲音輸出警報。圖3顯示了簡單對象檢測器的框圖。

圖3.簡單對象檢測器框圖。

您可以使用一些電子元件和PI Zero W構(gòu)建一個簡單的物體探測器。下面列出了構(gòu)建光感項目所需的電子部件。

（ 1）壓電蜂鳴器（Buz1）

（1）10千歐（KΩ）微調(diào)器或線性電位器（R2）

（1）光敏電阻（R1）

（1）1microfarad（μF）電解電容器（C1）

（1）Raspberry Pi Zero W

（1）無焊面包板

跳線

注意： Adafruit銷售Parts Pal套件（產(chǎn)品編號：2975），為該項目提供電子元件。

使用電子部件，您可以使用圖4所示的電氣接線圖構(gòu)建簡單的物體探測器.1μF電解電容tor是極化電子元件。您將在圖4中看到電解電容器的負極引線方向。如果電解電容器未正確放入電路中，則PC設(shè)備將無法工作。您將負極導(dǎo)線連接到接地導(dǎo)軌或行，如圖4所示。

圖4.簡單物體探測器的電氣接線圖。

您將使用3英寸母/母跨接線將Pi Zero W電氣連接到無焊面包板，如圖4所示。在為PC設(shè)備供電之前，請重新檢查接線為了錯誤。完成電氣布線后，您可以編寫簡單對象檢測器的Python代碼。圖5顯示了簡單對象檢測器的最終項目構(gòu)建。

圖5.完整的簡單物體探測器設(shè)備。

為了改善PC設(shè)備的物體檢測功能，一個由墨水筆夾持管制成的簡易準直器是放在光敏電阻上。準直器將在操作時消除光敏電阻的環(huán)境光。恭喜，您已經(jīng)成功構(gòu)建了簡單的物體探測器PC硬件。您現(xiàn)在可以使用Python編碼語言編寫PC檢測功能。

圖6.用于從光敏電阻中去除環(huán)境光的準直器。

對象檢測器Python代碼

隨著物體檢測器電線完成，您將進行編程（代碼）Pi Zero W讀取Python編碼語言中的光級變化。此外，Python代碼在檢測到對象時會發(fā)出警報。要編寫應(yīng)用程序代碼，請打開Python 3軟件，如圖7所示。

圖7.從Pi Zero W桌面訪問Python 3編碼軟件。

打開編碼軟件，您將單擊文件》新文件。鍵入以下Python代碼：

from gpiozero import LightSensor， Buzzer

from time import sleep， strftime， time

ldr = LightSensor（13）

buzzer = Buzzer（12）

with open（“/home/pi/ldr_data2.csv”， “a”） as log：

while True：

if ldr.value == 0：

buzzer.on（）

sleep（1）

buzzer.off（）

sleep（1）

else：

buzzer.off（）

ldrsensor = ldr.value

log.write（“{0}，{1} ”.format（strftime（“%S”），str（ldrsensor）））

print（ldr.value）

sleep（1）

代碼清單由三部分組成：

導(dǎo)入庫

分配變量

代碼循環(huán)

ldr_data.py代碼應(yīng)用程序所需的庫是 gpiozero 和時間。 gpiozero 允許您訪問Pi Zero W的BCM2835微控制器通用輸入輸出（GPIO）引腳，定時器，計數(shù)器，中斷，通信端口和脈沖寬度調(diào)制（PWM）資源。

time 庫允許您訪問ARM v7處理器的內(nèi)部系統(tǒng)時鐘功能。 ldr 和蜂鳴器是分配給GPIO引腳12和13的變量名。這些GPIO引腳的指定庫名是 LightSensor 和蜂鳴器。打開/日志指令允許Pi Zero W的通信端口收集傳感器數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)被讀入ldr_data.csv文件。

while 循環(huán)連續(xù)運行并且當(dāng) ldr 。值等于零。壓電蜂鳴器切換ON和OFF 2秒輸出報警持續(xù)時間周期。當(dāng)光敏電阻檢測到物體時，會發(fā)生這種報警情況。如果未檢測到物體，則關(guān)閉壓電蜂鳴器，收集傳感器數(shù)據(jù)（ ldr.value ）并將其存儲在 ldrsensor 變量中。數(shù)據(jù)按時間格式化（以秒［％S］為單位）并寫入ldr_data.csv文件。傳感器數(shù)據(jù)以1秒為間隔顯示在HDMI監(jiān)視器上［睡眠（1）］。

輸入代碼后，您可以通過按鍵盤上的 Ctrl S 然后按 F5 來運行監(jiān)控檢測應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)將顯示在屏幕上，如圖8所示。

圖8.在Pi Zero W上運行的Python ldr_data.py代碼。

將手或物體放在準直器上會從壓電蜂鳴器發(fā)出警報?？梢允褂?0KΩ微調(diào)器或線性電位計（R2）組件調(diào)節(jié)警報響度。

就是這樣！您已經(jīng)使用PC技術(shù)成功構(gòu)建了功能簡單的物體探測器。您可以通過轉(zhuǎn)到 home/pi 目錄并使用LibreOffice或Notepad打開ldr_data.py文件來查看存儲的數(shù)據(jù)。

作為一項探索活動，請查看您是否可以使用Excel軟件包繪制數(shù)據(jù)。另外，參考本教程并通過嘗試其他傳感器設(shè)備（如熱敏電阻）并在屏幕上觀察數(shù)據(jù)來構(gòu)建它。