什么是物理計(jì)算？

物理計(jì)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(biāo)。 PC技術(shù)被藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師用于創(chuàng)造互動(dòng)藝術(shù)。

機(jī)電一體化是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，使用電子電氣，機(jī)械和嵌入式軟件，使機(jī)械系統(tǒng)更加高效和智能化。電子傳感器收集與機(jī)械部件或致動(dòng)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(jìn)行機(jī)械調(diào)整。因此，機(jī)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(jī)和螺線管等執(zhí)行器為PC設(shè)備提供旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)。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(yáng)聲器和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲音指示器或警報(bào)。憑借您在PC中的新知識(shí)，您現(xiàn)在可以了解簡(jiǎn)單物體探測(cè)器傳感器如何與Pi Zero W一起工作。

簡(jiǎn)單物體探測(cè)器傳感器如何工作？

簡(jiǎn)單物體探測(cè)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(cè)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?yàn)镻i Zero W沒有沒有內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取變化的光級(jí)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(jiǎn)單物體探測(cè)器的電子電路原理圖。

圖1.物體檢測(cè)器電路圖。

圖2顯示了物體探測(cè)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(duì)于圖2所示的圖，“x”軸是電壓為“y”的時(shí)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(cè)器了。

構(gòu)建簡(jiǎn)單物體探測(cè)器

正如您從前面的討論中了解到的，物體探測(cè)器有兩個(gè)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(bào)。因此，簡(jiǎn)單物體探測(cè)器有三個(gè)主要部分：光傳感器，微控制器和聲音輸出警報(bào)。圖3顯示了簡(jiǎn)單對(duì)象檢測(cè)器的框圖。

圖3.簡(jiǎn)單對(duì)象檢測(cè)器框圖。

您可以使用一些電子元件和PI Zero W構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的物體探測(cè)器。下面列出了構(gòu)建光感項(xiàng)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(hào)：2975），為該項(xiàng)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(jiǎn)單的物體探測(cè)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(fù)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(fù)極導(dǎo)線連接到接地導(dǎo)軌或行，如圖4所示。

圖4.簡(jiǎn)單物體探測(cè)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(qǐng)重新檢查接線為了錯(cuò)誤。完成電氣布線后，您可以編寫簡(jiǎn)單對(duì)象檢測(cè)器的Python代碼。圖5顯示了簡(jiǎn)單對(duì)象檢測(cè)器的最終項(xiàng)目構(gòu)建。

圖5.完整的簡(jiǎn)單物體探測(cè)器設(shè)備。

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

圖6.用于從光敏電阻中去除環(huán)境光的準(zhǔn)直器。

對(duì)象檢測(cè)器Python代碼

隨著物體檢測(cè)器電線完成，您將進(jìn)行編程（代碼）Pi Zero W讀取Python編碼語(yǔ)言中的光級(jí)變化。此外，Python代碼在檢測(cè)到對(duì)象時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)。要編寫應(yīng)用程序代碼，請(qǐng)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(kù)

分配變量

代碼循環(huán)

ldr_data.py代碼應(yīng)用程序所需的庫(kù)是 gpiozero 和時(shí)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(shí)器，計(jì)數(shù)器，中斷，通信端口和脈沖寬度調(diào)制（PWM）資源。

time 庫(kù)允許您訪問ARM v7處理器的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)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(kù)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(yùn)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(bào)警持續(xù)時(shí)間周期。當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到物體時(shí)，會(huì)發(fā)生這種報(bào)警情況。如果未檢測(cè)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(chǔ)在 ldrsensor 變量中。數(shù)據(jù)按時(shí)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(yùn)行監(jiān)控檢測(cè)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(yùn)行的Python ldr_data.py代碼。

將手或物體放在準(zhǔn)直器上會(huì)從壓電蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。可以使用10KΩ微調(diào)器或線性電位計(jì)（R2）組件調(diào)節(jié)警報(bào)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(jiǎn)單的物體探測(cè)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(chǔ)的數(shù)據(jù)。

作為一項(xiàng)探索活動(dòng)，請(qǐng)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。