在第三節中,我們要連接硬體開始建構。既然這是一項入門專案,我們不會進行任何焊接。我們只要將元件插入GR-SAKURA電路板及麵包板,即可建構電路。

準備好部件

下表顯示所需要的部件。主要部件包括GR-SAKURA電路板(控制用)、感測器(偵測心跳)及伺服馬達(驅動扇子)。這些都是通用元件,很容易在各大通路購買。。

另外還需要以下物品:一條USB線(連接GR-SAKURA與電腦)以及四個三號(AA)鎳氫電池。

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名稱 料號
購買通路
GR-SAKURA-FULL   RS Components
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心跳感測器 SFE-SEN-11574 Sparkfun (Switch Science)
公頭杜邦線 EIC-UL1007-MM-015 Switch Science
SparkFun超小型實驗電路板(白色) SFE-PRT-12043 Sparkfun (Switch Science)
可用於實驗電路板的DC插座(2.1mm) SSCI-DC-BB Switch Science
伺服馬達GWS MICRO/2BBMG/JR型 M-01725 GWS (Akizukiki Denshi Tsusho)
碳膜電阻1/4W1k Ω R-25102 Akizuki Denshi Tsusho
通用低訊號高速開關二極體(60V150mA)1S2076A I-03015 Akizuki Denshi Tsusho
陶瓷電容0.1µF50V P-05202 Akizuki Denshi Tsusho
電解電容 100µF25V85℃ P-03122 Akizuki Denshi Tsusho
有2.1mmDC插頭的電池扣 P-06687 Akizuki Denshi Tsusho
5號電池×4個 並排串聯 P-02682 Akizuki Denshi Tsusho

圖1:“心跳扇”的元件總表(由於為通用元件,購買通路僅供参考)

※另外還需要以下物品:一條USB線(連接GR-SAKURA與電腦)以及四個三號(AA)鎳氫電池。

您擔心無法正確連接電容、電阻及二極體等電子元件嗎?不用怕,只要按照以下說明連接即可。現在我們不用去想它們的實際運作方式,課程的後半段會討論此部分。

另亦應注意的是,與電腦相連的USB線會提供電力驅動GR-SAKURA,但無法提供足夠的電力驅動伺服馬達。因此,為了驅動伺服馬達,我們將使用四個三號(AA)鎳氫(NiMH)電池。這些電池將裝在電池盒內,再將電池盒卡在末端具有一個DC接頭的電池扣上,將此接頭連接至與麵包板上另一個接頭相連的DC插座。

電路圖:學習重點

圖2顯示心跳扇的電路圖。感測器輸出要被偵測的類比脈波訊號(電壓變化)。此訊號進入GR-SAKURA中RX63N微控制器內的類比/數位轉換器(ADC)。ADC將類比訊號轉換為數位訊號,微處理器再按照您將建立的程式進行處理。處理完成後,微控制器將脈波訊號輸出至伺服馬達,使其驅動扇子。(關於系統運作的詳細說明請參閱“本系列第一課”

詳細查看圖示可發現其提供三類資訊:(1)分類標示各電子部件;(2)顯示各部件的額定值;(3)顯示這些部件之間的連接。因此,若詳細檢視圖示,就能清楚瞭解系統的整體運作方式。

圖2:心跳扇電路圖

圖2:心跳扇電路圖

上方所示電路圖僅涵蓋與本心跳扇專案有關的GR-SAKURA I/O連接。詳細電路請參考 這裡

組裝硬體

現在我們就來準備並安裝各項元件。不用擔心!本專案的工作相當簡單,只要30分鐘就能完成。我們開始吧。

1. 準備心跳感測器

取出感測器套件的內容物。剝開內附的其中一個乙烯基塑膠貼紙,將此貼紙貼在感測器的正面-心臟圖示上。接著將其中一個鉤扣黏在感測器背面(直接貼在各種外露的接點上)。再將魔鬼氈貼在鉤扣上,使其形成一個指環。使用感測器時,需要調整魔鬼氈使您的指尖直接落在LED燈泡處。(另亦參閱 Getting Started Guide)。

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2. 連接心跳感測器與GR-SAKURA

將感測器的三條線連接至GR-SAKURA。紅線連接至+3.3V端子,黑線接至其中一個GND端子,紫線接至AD0端子(參見圖3)。 GR-SAKURA現在可透過紅色及黑色電線供電給感測器,並能透過紫色電線接收感測器的類比訊號輸入。

3. 連接GR-Sakura與麵包板

用兩條跳線連接GR-SAKURA與麵包板,用其中一條連接GR-SAKURA另一個GND端子以及麵包板上的負(GND)連接器。用第二條線連接GR-SAKURA的IO7與麵包板的一個I/O端子。第二條線現在將作為訊號線,訊號從IO7傳送至麵包板(參見圖3及圖4)。

圖3:GR-Sakura接線圖

圖3:GR-Sakura接線圖

4. 安裝麵包板部件並進行連接

這是唯一一個需要使用工具的步驟。電容、電阻及二極體上的引線太長,無法插入麵包板,必須用剪線鉗或鉗子將其修剪至適合的長度。注意不要剪太多:若引線太短,無法確實插入,會導致接觸不良及不正確的操作。一般而言,儘量多留一點長度。(應注意,元件本體未必要與麵包板齊平,就算突出一點元件仍可正常運作。) 詳細查看圖4,再按圖連接所有元件及跳線。

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圖4:麵包板佈局及接線圖

二極體及電解電容都具有極性(方向性),必須以正確的方位放置。

  • 確認箭頭及黑色色帶的方向與圖中所示一致。
  • 在電容上,從灰色色帶上延伸出的電線為負極引線。

應注意到三條從伺服馬達延伸出的電線,分別為橘色、棕色及紅色。這些電線末端為連接器。將這些插入麵包板內形成連接。

跳線有各種不同的頻色。顏色編碼的大致規則為紅色表示電源線(正電壓),黑色為地線GND(電路的負線路)。試著在專案中使用統一的顏色編碼規則。

非常重要!檢查感測器輸出的訊號電壓

我們已使用示波器量測心跳感測器產生的輸出電壓,結果如圖5所示。(注意:您不需要使用示波器即可完成本專案。)

图5:用示波器测量的心拍传感器输出信号

圖5:示波器測得之心率感測器輸出。

用示波器量測時,我們供應5V的電力給感測器。如圖5所示,感測器的類比訊號輸出範圍介於1.5V至5V之間。

可以注意到感測器的最大輸出電壓,約等於輸入感測器的電壓。這裡要注意的是:RX63N微處理器(GR-SAKURA內)中的A/D轉換器最大只能接受3.3V的輸入電壓。我們不希望微處理器受損,所以我們的設計需要將感測器的電源線連接至GR-SAKURA上的3.3V電源端子。由於感測器不會輸出超過輸入的電壓,故此方式可確保感測器輸出不會超過3.3V。感測器的輸出線因而連接至GR-SAKURA的AD0(類比輸入)端子(參見上述「將心跳感測器連接至GR-SAKURA」)。

安全第一!部分電子方面預防措施

本專案中,伺服馬達連接至微處理器並由其控制,這表示我們需要採取一些預防措施。首先,我們希望能防止雜訊,因為馬達的雜訊可能導致GR-SAKURA操作上的錯誤。藉由將兩個電容(一個陶瓷電容、一個電解電容)並聯加以實現,這有助於抑制電力線中的電壓擾動,避免雜訊進入GR-SAKURA(參見下方教學#1)。

接著,我們需要保護微處理器以免受損。應注意,GR-SAKURA端子IO7提供用以控制伺服馬達的PWM訊號。此端子能承受5V,因此只要伺服馬達保持在其保證的功率範圍內,直接連接就不會有問題。但總是有電壓超過5V的風險,造成反向電壓進入GR-SAKURA而使微控制器受損。我們將採取兩種措施以防範此一情況。首先,我們在電路中加入一個電阻,確保馬達中任何短路(馬達正極與GND線之間意外接觸)均不會造成過電流(參見以下教學#2)。 其次,我們將插入一個二極體,因此馬達中可能發生的任何過電壓情況均無法傳遞至通電的電力線中(參見教學#3)。

教學#1:為何使用電容?

電容為儲存及釋放能量的被動元件。若沒有電容,馬達啟動時的瞬間功率需求將導致電壓驟降,形成可能導致不穩定操作的電氣干擾,甚至可能使微控制器受損。但若使用電容,其將釋放儲存的能量滿足瞬間需求,讓系統穩定,而不會發生顯著的電壓擾動。

教學#2:為何使用電阻?

電阻是阻止電流流動的被動元件。本專案中,電阻藉由協助避免過電流保護微控制。

教程#3:為何使用二極體?

二極體為僅允許電流單向流動的主動元件。本專案中,二極體旨在保護微控制器,避免伺服馬達產生的反向電流及電壓。

参考:

了解嵌入式系統-1.被動元件

了解嵌入式系統- 2.二極體、電晶體、FET

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再次檢查麵包板配置及接線,確保一切正確設置,為我們的下一課也是最後一課做好準備,下一課中我們將建立軟體並啟動操作。我們將親眼看到如何偵測感測器的輸出訊號並用以驅動風扇。下次見。