arduino 官網 arduino uno

Arduino 物聯網應用 - 上課教材

動畫互動網頁程式設計 > 課程內容 > 第 05 章 - 感測器應用

第 05 章 - 感測器應用

上次更新日期 2022/10/19

上一個章節我們可以讀入可變電阻的監測數值，該數值可以代表電壓呢！也可以用來進行一些額外的處理。 這個章節，我們拿幾個簡單的感測器來偵測環境一下，包括光敏電阻、溫溼度計、繼電器等， 測量看看這些感測器的數據資料是否正確，以及搭配其他東西來應用看看。

學習目標：

  1. 使用光敏電阻
  2. 使用溫濕度計
  3. 使用繼電器
  4. 使用三軸加速器

5.1： 光敏電阻

我們上一章可以從類比腳位去取得來自某些物件所傳來的電壓值，並轉成 0~1023 之間的數字。目前許多的偵測器， 在 arduino 上面的應用也是差不多的樣式，就是將要偵測的資料，轉成電壓之後，再由 arduino 讀回，套用公式後， 就可以取得需要的數據值。

先來討論一個光敏電阻的玩意兒，光敏電阻顧名思義，就是跟光有關的電阻。一般來說，當光線越強， 光敏電阻內部的電流可以放大，亦即電阻值變小，因此有光線的情況底下，電壓的強度會增加。當沒有光線時， 電阻變大，電壓自然就比較小了。

光敏電阻同樣也需要一個電流迴路，因此需要有 5V 的供電以及接地。那光敏電阻只有兩隻腳，要如何偵測數據呢？ 就是從接地的那一頭，同時接地也同時連接到類比腳位 (我們這裡習慣使用 A1 腳位)。也就是說，光敏電阻的兩隻腳放在麵包板的不同群祖上， 一隻群組只接 5V ，一隻群組則同時接 A1 與一般電阻，一般電阻在接往接地即可。

例題 5.1.1：取得光敏電阻的數據，程式檔名設為 code-light-1 即可
  1. 連線方式：
    • 光敏電阻一腳 -- Arduino 5V
    • 光敏電阻另一腳 -- ( Arduino A1, 電阻器一腳 )
    • 電阻器一腳 -- Arduino 接地
  2. 程式設計：
    • 在全域變數區，設定整數變數 light 為 1，預計拿來當 A1 腳位讀取
    • 在 setup() 函數內，指定 Serial.begin 為 9600
    • 在 loop() 函數內，指定 int val = analogRead(light)，並將該數值印出到序列埠，然後延遲 1 秒鐘即可。
將程式編譯後燒錄到 arduino 上，然後將光敏電阻阻隔光線、用手機手電筒照射，就知道數據的變化了。

現在我們知道光敏電阻可以了解光線的強弱，那麼這樣實驗看看，如果光敏電阻的數值高於 300 時，就關閉 LED 燈， 如果低於 300 時，就打開 LED 燈，這樣該如何處理？

例題 5.1.2：以光敏電阻自動開/關 LED 燈，將原本的 code-light-1 另存成 code-light-2 即可
  1. 連線方式：
    • 光敏電阻跟 5.1.1 相同，不用更動
    • 增加一個 LED 單色燈，使用 D9 腳位
  2. 程式設計：
    • 增加全域變數 led，數值為整數 9
    • 在 setup() 函數內，使用 pinMode 設計 led 為 OUTPUT
    • 在 loop() 函數內，在取得光敏電阻數字後，判斷是否大於 300，若是，則關閉 LED，若否，則開啟 LED 燈。
編譯並上傳之後，嘗試遮一下光敏電阻，應該就能發現 LED 亮或暗了。

如果在房間內、在水族箱上的燈光、在室外的小燈，都可以透過這個 arduino 搭配光敏電阻，進行額外動作的設計喔！

5.2： 使用溫濕度計 - 以 DHT11 為例

環境監測最常見的感測器就是溫溼度計。溫溼度計的模組非常多，我們拿比較便宜常用的 DHT11 模組來處理一下。 DHT11 模組基本上會有 4 隻腳，搭配背板會變成 3 隻腳，分別是 5V(VCC)、接地 (GND) 以及資料輸出。這個資料輸出會輸出溫度與濕度。 你可能會說，只有一隻腳，怎麼同時輸出兩個數據呢？沒錯！確實會輸出兩個數據！我們就得要使用 arduino 額外的模組， 搭配模組的使用，才有辦法取得正確的數據！

  • arduino 範例與模組

現在，請在 IDE 主程式裡面的『檔案』、『範例』裡面，找到最底下的 DHT sensor library，底下就有個 DHT_Unifined_Sensor 範本。 請打開它，然後另存新檔成為 code-dht-1 的檔案，這個檔案最上面的內容會有點像這樣：

#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <DHT.h>
#include <DHT_U.h>
#define DHTPIN 2     // Digital pin connected to the DHT sensor 
// Uncomment the type of sensor in use:
#define DHTTYPE    DHT11     // DHT 11
//#define DHTTYPE    DHT22     // DHT 22 (AM2302)
//#define DHTTYPE    DHT21     // DHT 21 (AM2301)

DHT_Unified dht(DHTPIN, DHTTYPE);
uint32_t delayMS;

void setup() {
  ...

如上所示，最前面的 #include 就是在載入 DHT 的模組，其中比較重要的是 DHTPIN 這個設定，預設是放在 D2 腳位上喔！ 如果你有需要其他的腳位，那就修改這個項目吧！否則，我們建議就放在 D2 即可。 而後面的感測器，則需要修改成為 DHT11 (新的可能有人會買到 DHT22！無論如何，都從這裡拿出來處理！)。只要你的設備連接是正確的， 那麼最終就能輸出正確的溫溼度計資料了！

例題 5.2.1：偵測環境中的溫濕度，直接使用 code-dht-1 來修改
  1. 連接方式：
    • 將 DHT11 的三隻腳，直接插入麵包板上，注意看針腳的項目為何
    • 根據上面的針腳，將 5V, 接地、 D2 的 arduino 連線連上即可
  2. 程式設計：
    • 直接使用 code-dht-1 即可
編譯後燒錄上傳，應該可以在 COM 上面看到溫濕度情況了！你可以手握感測器，看看溫度有沒有上升， 你可以對著感測器吹氣，看看濕度有沒有上升。

每一種感測器都有其處理的極限！以這款 DHT11 來說，溫度誤差可能到 2 度，相對濕度每個跳動可能誤差到 5%！ 所以，大概只是測個基準判斷，並不能拿來作為實際很需要準確性的工作當中喔。

5.3： 使用繼電器 (relay)

繼電器也是挺有趣的東西，基本上，它就是在一個電源迴路裡面的銜接器，可以進行短路 (on) 或斷路 (off) 的行為， 這樣就可以控制整個電源迴路的開或關了！你可以說，繼電器就是在一個可以持續通電的迴路當中的一個開關！ 而這個開關目前可以讓我們透過 arduino 去控制這樣。這個繼電器除了可以控制 arduino 上面的電力供給之外， 也可以提供市電開關的目的！是相當有趣的！

從萬能百寶袋當中取出繼電器，它長的有點像底下這樣 (圖片來源按這裡查看)，文末有繼電器的相關說明，請自行查閱。

繼電器示意圖 繼電器示意圖

仔細看圖示，下圖裡面會有 NO, COM, NC 這三個旋鈕，這三個項目的功能是：

  • NO (Normal Open)：正常線路打開，就是斷路、沒有連線的意思，這個會比較常用，就是正常情況下，線路沒有接在一起 (open 開來) 的意思。
  • COM (Common Ground)：一般接地，在官網上面說是要接火線或直流電的正極～
  • NC (Normal Close)：正常線路關閉，，就是短路、線路連接在一起的意思。正常情況就是有通電 (close 在一起)

因為我們比較習慣的方式，大多是『正常情況不需要通電，當有需要的時候，才通電打開』的意思！舉例來說，我們電腦教室裡面的通風扇， 溫度正常情況下，不用打開抽風扇 (停電)，而溫度過高的情況下，才啟用抽風扇的電源 (來電) 的意思。這時，接法通常就會使用到 COM 與 NO 這兩個旋鈕～

至於第一個圖示有 DC+, DC- 與 IN 三個旋鈕，分別代表：

  • DC+：接 arduino 3.3V 或 5V 的電源
  • DC-；接 arduino 接地線
  • IN：接上 arduino 訊號線

現在，先讓我們來玩一下自動讓繼電器一直開/關的動作！每 5 秒鐘進行一次的情況！先來摸一下接線的方式：

例題 5.3.1：讓繼電器自己開關
  1. 開始連接-繼電器與 arduino 的訊號控制方式 (須 3 條公對公杜邦線)：
    • 繼電器 DC+ -- 麵包板 -- arduino 5V 電源上
    • 繼電器 DC- -- 麵包板 -- arudino 的接地
    • 繼電器 IN -- 麵包板 -- arduino 的 D5 第 5 號訊號線上面
  2. 開始連接-繼電器與設備連接的方式 (須 2 條公對公杜邦線)：
    • 繼電器 COM -- 麵包板 -- arduino 的 3.3V 上
    • 繼電器 NO -- 麵包板 -- 電阻器一端
    • 電阻器另一端 -- 麵包板 -- LED 燈正極
    • LED 燈負極 -- 麵包版 -- arduino 另一個接地上
  3. 將 arduino 接上 USB，你會發現繼電器的電源燈號亮了 (很亮！)，記得此時只亮一顆燈，LED 燈預設是不亮的。
  4. IDE 程式撰寫，稱為 code-relay-1 即可！
    • 指定 sig 全域變數為整數，且為 5 號 (我們訊號線接到 D5 上)
    • setup 函數內，使用 pinMode 指定 5 號為 OUTPUT 模式
    • 在 loop 函數內，先用 digitalWrite(sig, HIGH) 讓燈亮，然後 delay 5 秒之後，再變成 LOW 關掉。
    編譯、上傳，看看執行的狀況。你的繼電器會有很大的聲音在做開/關的切換！那就是成功了。

上面的指令有點無厘頭～因為就一直開關而已。現在，讓我們來處理一下，用光敏電阻來判斷要不要開燈。 預設是不要開燈，當光敏電阻低於 300 時，就打開 LED 燈光。

例題 5.3.2：使用光敏電阻讓 LED 燈光自動開/關
  1. 開始連線
    • 光敏電阻一端 -- arduino 5V 已經在麵包板上
    • 光敏電阻另一端 -- 麵包板 -- A1 與電阻器
    • 電阻器力一端 -- DC- 的接地麵包板上
  2. 程式設計 code-relay=2
    • 全域變數新增一個 light 整數為 1 (A1 取得訊號)
    • 在 loop 函數內，使用 int val = analogRead(light)，主要就是光敏電阻的電壓值，然後根據 val 是否大於 300， 若大於 300 則對 D5 做 LOW 的輸出，否則就對 D5 做 HIGH 的輸出即可。
編譯並上傳之後，嘗試遮住光敏電阻，應該就會發現到 LED 的開開關關了！如果覺得開關行為太頻繁，可以在每次處理之後延遲 3 秒， 這樣就不會太離譜！

上面單純只是讓大家知道繼電器怎麼使用，如果你想要使用 110V 的交流電，那麼，請拿一條延長線，延長線裡面會有兩條線 (火線/地線)， 將其中一條剪斷，變成兩頭之後，分別塞入 COM 與 NO 旋鈕中，然後夾緊。之後延長線預設會沒有通電，當你的 arduino 提供 HIGH 的狀態之後， 延長線才會有電力！這樣就搞定了！ (使用上要小心！畢竟是交流電～建議使用延長線之後，先以三用電錶測試有沒有來電，確定沒有問題之後， 才開始使用該延長線較佳！)

5.4： 使用三軸陀螺儀

有時候，我們可能會使用到三軸加速器 (或所謂的陀螺儀)，這東西主要的目的是在測量 X, Y, Z 的方位，只是，這東西的輸出資料實在太多了， 使用一般的界面，很難一項一項讀出來，因此，這陀螺儀會使用到 I2C 的界面去彙整數據，所以，我們得要將陀螺儀接到正確的位置， 不能隨意接在 arduino 的腳位喔！

  • I2C 與 arduino 腳位

一般 I2C 的腳位共有四隻，分別是：

  • GND：接地
  • VCC：5V供電
  • SDA：串列資料線 (serial data)
  • SCL：串列時脈線 (serial clock)

arduino 上面有接地與 5V 的腳位，這個沒問題～那 SDA 與 SCL 要接在哪裡呢？在 arduino nano 上面，這兩個針腳， 需要接在 I2C 的位置上喔～主要接腳是這樣的 (不同的 arduino 板子其接腳都不相同！連接之前請特別搜尋一下喔！)：

  • SDA： 接在 A4 上
  • SCL： 接在 A5 上
  • arduino 的 I2C 模組

為了方便使用者的操作， arduino 釋出名為 Wire 的模組，某部份就是用來支援 I2C 的！因此，你要使用到 A4, A5 的類比腳位， 就得要在 IDE 程式碼裡面，先使用『 #include <Wire.h> 』這個模組才可以！此外，我們也得要知道這個 I2C 的裝置是不是正常的？ 因此，可以使用 Wire 模組提供的 I2C scanner 掃描一下裝置位址看看，要確定裝置沒問題，才有下一步啊！

例題 5.4.1： 連接三軸加速器
  1. 拿出你的三軸加速器，設備上面會有 GY-521 的小板子，上面有 8 個腳位，請先確認妥當。
  2. 將 GY-521 安插到不同排的麵包板上面
  3. 根據上面的說法，將 VCC, GND, SDA, SCL 連接到正確的 arduino 腳位上。
安插到 USB 上之後，三軸加速器的 LED 燈號就會亮起來！應該就有供電成功了。

完成連線之後，再來，讓我們掃描一下硬體位址吧！

例題 5.4.2： 掃描 I2C 裝置的存取位址，請先啟動 IDE 環境
  1. 從 IDE 的『檔案』、『範例』、『Wire』當中，取得『i2c_scanner』的範例資料。
  2. 直接編譯並上傳到 arduino 上
  3. 打開序列埠，你會發現類似如下的資料，那就是你的 I2C 位址。 
    13:57:54.514 -> 
13:57:54.514 -> I2C Scanner
13:57:54.514 -> Scanning...
13:57:54.514 -> I2C device found at address 0x68  !
13:57:54.559 -> done
  • 安裝 MPU6050_light 模組

要驅動 GY-521 三軸加速器，可以用很多模組。這個 GY-521 用的是 MPU6050 晶片，因此，可以抓 MPU6050 的函式庫。 我們這裡先測試使用 MPU6050_light 模組來應用。

例題 5.4.3：安裝 MPU6050_light 模組，請先啟動 IDE 環境
  1. 前往『草稿碼』、『匯入程式庫』、『管理程式庫』之後就會出現程式庫管理員的畫面
  2. 在搜尋欄位裡面輸入『 MPU6050 』關鍵字，往下找會有一個名為 MPU6050_light 的標題， 由 rfetick 所撰寫，安裝時版本為 1.2.1 版。按下安裝即可。
  3. 安裝完畢請關閉程式庫管理員的畫面。
  4. 由『檔案』、『範例』找到最下方的『MPU6050_light』之後，開啟 GetAllData 範例檔。
燒錄正確沒問題之後，上傳到 arduino 上，打開終端界面，就可以看到溫度、ACCELERO, GYRO 等資料了！ 稍微挪動一下麵包板，就會看到數據的變化了。

其他功能請自行上網找 arduino 官網提供的 MPU6050-light 函式庫內容說明。

5.5： 參考資料