第1篇：用Arduino控制曲別針電動機

我們推出了一項新計劃，即通過使用了Arduino的簡單制作來學(xué)習(xí)電子制作的原理和基礎(chǔ)知識。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)識到一個事實：人類再偉大也只不過地球上的一個生物而已。

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

在醫(yī)療不發(fā)達(dá)的時代，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，都需要消毒。

當(dāng)然，比起以前，如今公共場所的馬桶和水龍頭，有很多是當(dāng)人站在前面或者伸出手時水就會自動流出，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，您會發(fā)現(xiàn)其實有很多種不同開關(guān)，并且它們會根據(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門傳感器等應(yīng)用。由于傳感器前面有一個半球形或管狀透鏡，因此可以很容易通過外觀來識別。

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

超聲波測距型

這種開關(guān)可以發(fā)射超聲波，通過探測到達(dá)物體并反射回來的超聲波來測量距離。以往常被用于測量河流水位的測量儀器等應(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（比如機器人制作）等領(lǐng)域。

紅外線測距型

通過發(fā)射紅外線并測量從物體返回的反射光來測量距離。還有一種方式是通過三角測量法計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會遮光的原理來實現(xiàn)檢測功能的一種感應(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)定的檢測方式。由于其安裝位置固定，精度高，所以常被用于自動扶梯、停車場出入口、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)線和打印機紙張位置檢測等應(yīng)用，由于是安裝在看不見的位置，所以不太會引起注意。

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)就會變差。您是不是也有這樣的經(jīng)歷，即使伸出手，水也不會流出來，很不方便，對吧？

展示類開關(guān)

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

不過這些開關(guān)也是傳染病控制對策中的消毒對象。不管對展覽是否感興趣，孩子們看到開關(guān)會饒有興致地按下去。尤其是在以往的展品中，大量使用了具有物理接觸點的開關(guān)。由于每天都有若干人多次按下，因此它們實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，從衛(wèi)生角度上看也非常不理想。

動態(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，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，消毒時可以對亞克力表面進(jìn)行消毒。

3. 使用反射式光電傳感器

雖然紅外測距傳感器也可以，但我希望配置簡單一點，所以我考慮使用反射式光電傳感器。在這個項目中我使用了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封裝中，也就是說，是一種結(jié)構(gòu)簡單、各器件分別獨立工作和感應(yīng)的產(chǎn)品?？梢赃@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)動紅外LED吧。由Arduino供電時，如果取自5V引腳，只要串聯(lián)一個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，通常會看到值在800～900左右變化。

當(dāng)您用手試著蓋住傳感器部分時，該值將降至100左右。

我認(rèn)為這些表現(xiàn)也會受室內(nèi)和實驗周圍光環(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)計和LED閃爍用來表達(dá)“請用手遮住這里”的含義。因此，電路設(shè)計如下。由于是用于演繹的LED，所以我用了4個，并用晶體管“2SC1740S”來驅(qū)動。

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像緩慢跳動一樣閃爍，并使其進(jìn)入待機狀態(tài)。
當(dāng)把手遮蓋在它上面時，LED亮3秒鐘，用這個來表示開關(guān)打開。實際與萬用電路板進(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會有一定程度的波動，所以有一種可以用絕對值設(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)境會發(fā)生變化的場景下尤其有效。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)值時可以適當(dāng)參考。

4. 安裝外殼

手形設(shè)計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，樣子看起來很簡潔。

對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；如果是電源電壓波動較大的應(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)動家電級別的設(shè)備，那么插入繼電器或SSR即可使之運行起來。

就像這樣，根據(jù)所需條件進(jìn)行思考，就可以實現(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)備讓各種作品動起來系列的另一個實驗，敬請期待！

本系列連載一覽

第1篇：用Arduino控制曲別針電動機
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控制伺服電機來演奏樂器！

伊藤 尚未

日本電子制作普及推進(jìn)委員會代表、媒體藝術(shù)家。作為科普作家、假扮動物園管理員的電工、理科實驗課堂講師、工作坊講師、教材開發(fā)人員等，積極參與各種活動。 在月刊《兒童科學(xué)（誠文堂新光社）》連載電子制作項目長達(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