数字制造讲义04-负责输入和输出的智能元件

快速回顾

让我们先简要回顾上节课的内容。

电路是由导体和元件组成的回路，电流可以在其中流动。电路有三种状态：通路，开路（某处断开）和短路。

闭合回路在同一点开始和结束，形成一个完整的循环，允许电力不间断地从（+）电源流到（ - ）地。短路是指，电路中有很大电流流过，但不流过负载，负载不起作用。

电路图通过符号表示电子元件及其位置。

电阻器通常用于限流，我们用欧姆定律计算电路中所需电阻阻值。更复杂的电路则需要用基尔霍夫定律。

电路类型

有了基本的电路元件，我们可以构建出不同类型的电路。除了通路、开路和短路，电路还有其他的分类方法。

比如，从构成来分，可以分为电气电路和电子电路两大类。电气电路由电阻、线圈、电容组成。电子电路除了电阻、线圈和电容之外，还包括晶体管和二极管等半导体元件。

按照功能来分，又分为以下类型的电路：

放大电路：用于增大输入信号并且输出，例如常见的 Amplifier/功放

振荡电路：使电路在没有输入信号时也能产生交流信号

调制电路：可以调制振幅大小(AM)或频率(FM)的电路

检波电路：从信号中提取声音等（调幅波解调）

滤波器：提取指定频段的信号

运算放大器：能产生一个比输入端电势差大数十万倍的输出电势（对地而言）。集成电路的一种，输入输出互不影响。

逻辑电路：计算加法、乘法、记忆数字/文字

电源电路：交流直流电转换

我有千里眼，你有顺风耳吗？

在初学电子电路知识时，很容易被种类繁多的电子元件搞晕。想要一种一种元件学习，不是不可能，但是没必要。我们需要提醒自己，学习电路的目标是做出自己需要的东西，带有功能和互动的装置。

电子元件虽然名目繁多，但是从用途来分，除了上节课介绍过的基本元件，接下来就是这节课要学习的两大类：输入类和输出类。

输入类元件帮助我们感知和获取环境中的信息/状态，输出类元件负责向环境施加影响，例如展示数字/图像、移动物体等等。

想象一下人体，可以类比为装备着强大输入输出设备的智能体。输入设备包括眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等，可以感知并接收图像、运动物体、声音、气味、压力等等复杂多样的信息。而输出设备包括嘴巴、身体关节和肌肉等，可以发出声音、做动作、移动物体等等。

当然，电子元件能够做的事情就更多了，比如，测量土壤湿度、测量脉搏、获取蓝牙信号等等。这些由各显神通的元器件来实现。

输入设备

我们借助输入设备，实时获取环境中的各种信息。

开关

开关也是一种设备？没错，电路本身就是一个小环境，这个小环境最重要的状态之一，就是电路是否形成通路。(聪明的你应该意识到，开关同时也是一种输出设备)

不要小看了开关，它有多种类型，可以控制多种状态。比如有按钮类型的，toggle 类型的，还有开关组：

声音

检测环境中声音大小的元件(更高级一些的可以提取声音包络，或者做语音识别)。猜猜看，这类元件价格是多少？

距离

超声波传感器的本领，是不断发出探测距离的超声波，计算并报告元件距离目标物体(障碍)的距离：

温度

测量温度的元件大多数都是热敏电阻，也就是阻值随着温度发生变化。

光照

测量光照亮度的元件大多数都是光敏电阻，也就是阻值随着亮度发生变化。

图像

想要识别物体，首先要获取图像。摄像头就是最常见的设备。现在的摄像头已经做到体积微小、成像高清。

另外一种传感器可以专门检测 RGB 的颜色值：

压力

压电传感器用来检测振动或敲击。

磁场

我们常见的磁铁也是一种电子元件哦~

霍尔效应传感器也称霍尔传感器，是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。

红外

互动装置总是少不了人的参与，其中经常会用到的一个元件，是检测某个距离内是否有人出现的红外传感器。

应变计

应变计是电阻随作用力变化的传感器；它将力、压力、张力、重量等物理量转化为电阻的变化，从而测量这些物理量。当外力作用于固定物体时，就会产生应力和应变。物体内部产生的（对外力的）反作用力即为应力，产生的位移和形变即为应变。

例如基于应变计的称重传感器，将力转换为可测量的电信号输出的传感器。

加速计

加速计（accelerometer）也叫重力感应器，是测量加速度的装置。相对于远距感测的装置，它测量的是自身组件在某个轴向的受力情况，表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ）。这有点类似于陀螺仪，但陀螺仪的更多关注自身旋转情况，加速计则主要是测量受力情况，也就是三轴运动情况，更适合用于空间运动判断。

陀螺仪（gyroscope）是一种基于角动量守恒理论感测与维持方向的装置。三轴陀螺仪的工作原理，是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。三轴陀螺仪可以同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向，最终可判断出设备的移动轨迹和加速度。

常见的体感游戏机、手机里都有这种元件。

机器视觉

前面提到了获取图像的元件，也就是常见的摄像头。不过我们更常见的需求是用摄像头识别某些东西，比如人脸、比如让机器人拥有视力。所以，机器视觉相关的硬件和软件也是我们可能会用到的工具。

机器视觉是人工智能中一个重要的研究领域，相关的算法一直在改进。OpenCV 就是使用最为广泛的机器视觉开源库，它提供了实时识别形状和物体的能力，许多机器视觉的应用都是在它的基础上改进实现的。

当然，也有一些硬件已经集成了特定的视觉能力。

比如 OpenMV 项目提供低成本、可扩展、支持 Python 的机器视觉模块，成为「机器视觉的 Arduino」：

又比如 Pixy2 摄像头，能通过简单的训练快速识别物体：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=s0753ulknzoPixy2摄像头图像识别

输出设备

看了这么多输入元件，是不是觉得人对环境的感知能力得到极大的扩展？这样我们可以收集无数来自环境的实时信息。接着，我们处理这些信息，或者设定一些规则，达到某些条件的时候，就自动去做某些事情。这就是智能硬件的基本原理。并不难，对吧？

接下来我们就了解一下输出设备，看看如果要对环境施加影响，我们都有哪些能力可以使用。

LED

严格来说，单个 LED 不算一类输出设备。但是它实在太常用了，而且多个 LED 组合起来，就可以成为可能性无穷的输出显示屏。

LCD

跟 LED 对应的还有另外一种专门用于显示的屏幕——LCD (Liquid Crystal Displays)。

扬声器

视觉的输出设备有了，接下来是听觉。那就是各种扬声器，也就是喇叭了。

电机/马达

听和看都有了，那么接下来就是运动了。运动涉及到物理位移，我们需要借助电机来完成。

电机有非常多种，分类也各不相同，比如直流电机（DC Moter）和交流电机。

在 DIY 装置中，常用到伺服电机、步进电机和舵机这几种。

伺服电机：闭环控制，即通过传感器实时反馈电机的运行状态，由控制芯片进行实时调节。

步进电机：开环控制，接收的是电脉冲信号，根据信号数量转过相应的步距角（角位移）。

舵机：是伺服电机在航模、小型机器人等领域下常用的一个特殊版本

小结

今天我们认识了很多新伙伴。你可能眼有点花，头有点昏。不要紧，在动手实践过程中会慢慢加深了解的。

现在，你已经踏上了可以自己折腾的旅程——有那么多好玩的东西等着你去搭建呢！

输入+Arduino+输出 可以实现无数的组合，只要你愿意细心查看元件的说明，按照电路的原理去设计接线，使用 tinkercad 等工具来模拟和检查电路，并且编写一些 Arduino 代码，理论上就可以做出许许多多好玩的东西。

嗯，理论只是理论。在实际动手的过程中，我们还会遇到这样那样的问题，可能是搞不懂某个元件的工作原理，可能电路总是出问题，可能是编程很吃力。这些都是成为 Maker 的过程中必不可少的锻炼。别忘记，我们还有 instructables、Arduino 等网站和社区，上面有海量的例子、项目和资料，是我们折腾路上很好的陪伴。

接下来就开始扑腾吧！享受淹没在新知中的缺氧感，享受遇到问题解决问题的痛苦，享受打完大小 boss 通关后的成就感。不要忘记跟大家分享你的点滴心得~

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