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2022/09/08

Keyes microbit 綠能智慧小屋學習套件 (課程-程式編寫第二集)

Keyes micro:bit 綠能智慧小屋學習套件組-程式編寫【第二集】

第二集之程式說明有以下專案:
Project 6：伺服馬達角度調節
Project 7：小風扇轉動
Project 8：太陽能與USB充電鋰電池電源模組
Project 9：1602 LCD 螢幕
Project 10：水滴水蒸氣感測器


簡介

前面我們組裝好了microbit V2 綠能智慧小屋。
接下來的項目我們就要由簡單到複雜，一步一步探索micro:bit的世界了!

Keyes microbit V2 綠能智慧小屋學習套件組是以microbit V2為主控板，其中包含14個感測器和模組(由1602 LCD，DHT11 溫溼度感測器，MQ_2 模擬氣體感測器，人體紅外線釋熱感測器，黃色LED模組，6812 RGB燈，伺服馬達，水蒸氣感測器， microbit藍芽等模組)組成。

小屋也具備USB充電孔和太陽能充電，並藉由感測器及模組來分別檢測和控制家庭環境的溫度、濕度、可燃氣體濃度、門窗開關，並能把各類環境訊息顯示於1602 LCD 螢幕。也可以透過手機或 iPad 的 APP做為操作端，來查看任何環境資訊。


micro:bit 程式範例課程：


【一】感應器/模組位置對照圖

【二】課前準備

【三】Makecode 程式

【四】完成品影片

Project 1：LED 閃爍
Project 2：LED 亮度調節
Project 3：6812 2x2 全彩 RGB燈
Project 4：人體紅外熱釋電感測器
Project 5：感應燈
Project 6：伺服馬達角度調節
Project 7：小風扇轉動
Project 8：太陽能與USB充電鋰電池電源模組
Project 9：1602 LCD 螢幕
Project 10：水滴水蒸氣感測器
Project 11：下雨警報
Project 12：模擬氣體（MQ-2）感測器
Project 13：氣體洩露檢測儀
Project 14：DHT11溫濕度感測器
Project 15：環境溫濕度表
Project 16：多功能智能小屋
Project 17：手機藍牙控制LED燈
Project 18：手機藍牙操控智能小屋

一. 感測器/模組位置對應圖



注意：專案中的各感測器/模組上標示:
（G）表示負極，是連接到控制板或感測器擴展板上的G或-或GND；
（V）表示正極，是連接到控制板或感測器擴展板上的V或VCC或+或5V

在燒入程式後需要接通外接電源，否則可能供電不足導致無效。



二.課前準備

在程式課程開始前，我們需要在Makecode平台擴充綠能智慧小屋需要使用的積木，才能進一步進入編寫程式，可以藉由以下方法添加microbit綠能智慧小屋的擴充積木。需要下載擴充的積木【IoT_keyestudio】


1. 於MakeCode平台的程式選單中點擊Extensions(擴充)。






2. 輸入"https://github.com/keyestudio2019/ks_IoT"為此套件下載額外的擴充程式。


注意：如果您遇到提示說明：由於擴充程式不相容，將刪除某些擴充程式，此時您可以按照提示繼續操作或再創建一個新的程式專案。



3.安裝完成後，你可以在左側找到DHT11/DHT22和I2C_LCD1602的擴充積木，同時也下載安裝了Neopixel擴充積木。





 

Project 6：伺服馬達角度調節



一.實驗介紹：

當我們在製作智慧家居時，經常會將伺服馬達和門、窗等固定在一起。這樣，我們就可以利用伺服馬達轉動，帶動門、窗等開或關，從而起到家居生活的智慧化功能。在這課程中我們著重介紹下智慧家居套件中的伺服馬達的原理和使用方法。
伺服馬達是一種位置伺服的驅動器，主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。與馬達不同，我們一般控制馬達的轉速和方向。而伺服馬達更多的是控制指定的角度。常用的伺服馬達可旋轉的角度範圍是0°到180°。伺服馬達引線為3線，分別用棕、紅、橙三種顏色進行區分，伺服馬達品牌和生產廠家不同，會有些許差異，使用之前需查看資料。我們使用的是最常見的伺服馬達，棕、紅、橙分別對應“電源負極，電源正極，控制信號”。

 

※伺服馬達(舵機)的控制原理小知識：
伺服馬達的伺服系統由可變寬度的脈衝來進行控制，橙色的控制線是用來傳送脈衝的。一般而言，PWM控制伺服馬達的基準信號週期為20ms（50Hz），
理論上脈寬應在1ms到2ms之間，對應控制伺服馬達角度是0°～180°。但是實際上更多控制伺服馬達的脈寬範圍是0.5ms 到2.5ms，具體需要自己實際調試下。






經過實測，伺服馬達的脈衝範圍為0.65ms~2.5ms。180度伺服馬達，對應的控制關係是這樣的：
高電平時間伺服馬達角度基準信號週期時間（20ms）
0.65ms0度0.65ms高電平+19.35ms低電平
1.5ms90度1.5ms高電平+18.5ms低電平
2.5ms180度2.5ms高電平+17.5ms低電平
 

伺服馬達的規格參數：
工作電壓：DC 4.8V〜6V可操作角度範圍：大約180°(在500→2500μsec)
脈波寬度範圍：500→2500 μsec外觀尺寸：22.9*12.2*30mm
空載轉速：0.12±0.01 sec/60度（DC 4.8V）  0.1±0.01 sec/60度（DC 6V）
空載電流：200±20mA（DC 4.8V）  220±20mA（DC 6V）
停止扭力：1.3±0.01kg·cm（DC 4.8V）  1.5±0.1kg·cm（DC 6V）
停止電流：≦850mA（DC 4.8V）  ≦1000mA（DC 6V）
待機電流：3±1mA（DC 4.8V）  4±1mA（DC 6V）
重量:9±1g (without servo horn)
使用溫度：-30℃~60℃

注意事項: 不要使用電腦和USB資料線供電，因為如果電流需求大於500mA，會有燒壞伺服馬達的可能，推薦使用電池外置供電。



二. 程式設計



三. 實驗結果

檔案上傳成功後，外接電源供電，並將擴展板上的撥碼開關撥到ON端，再將船型開關上的“1”端按下。microbit主機板上LED點陣屏顯示“笑臉”圖案，舵機從0°~45°~90°~135°~180°~0°，迴圈進行。



四. 完成品



 

Project 7：小風扇轉動




一.實驗介紹：

130電機模組是採用HR1124S晶片控制電機的。HR1124S是應用於直流電機方案的單通道H橋驅動器晶片。HR1124S的H橋驅動部分採用低導通電阻的PMOS和NMOS功率管。低導通電阻保證晶片低的功率損耗，使得晶片安全工作更長時間。此外HR1124S擁有低待機電流，低靜態工作電流，這些性能使HR1124S易用於玩具方案。
該電機模組相容各種單片機控制板，如microbit系列單片機。模組上自帶的防反插白色端子兼具為2.54mm，使用時，我們可以利用杜邦線連接到microbit擴展板。實驗中，我們可通過輸出到兩個信號端IN+和IN-的電壓方向來控制電機的轉動方向，控制輸出PWM信號來控制電機轉動的速度。

130電機模組的規格參數：
工作電壓：3.3-5V(DC)最大電流：200mA (DC5V)
最大功率：1W控制介面：雙數位口
（數位輸入）
工作溫度：-10°C ~+50°C環保屬性：ROHS
 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
高電壓(1)低電壓(0)順時針
轉動
 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
低電壓(0)高電壓（1）逆時針
轉動
 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
低電平（0）低電平（0）不轉
 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
高電壓(1)高電壓(1)不轉


二. 程式設計 7-1 數位 小風扇轉動 (不可調整轉速)



 
Microbit
擴展板		電機
GNDG
5VV
S（13）IN+
S（12）IN-











三. 實驗現象 7-1：

檔案上傳成功後，外接電源供電，並將擴展板上的撥碼開關撥到ON端，再將船型開關上的“1”端按下。電風扇順時針轉動5s，停止1s，逆時針轉動5s，停止1s，迴圈進行。



四. 完成品7-1：







二. 程式設計 7-2 類比 小風扇轉動 (可調整轉速)


 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
高電壓（1）PWM 600順時針
轉動


 
 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
低電壓（0）PWM 400逆時針
轉動


 
 

 
 
 
 




 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
低電壓（0）PWM 0不轉動
 
IN+
(數字口P12)		IN-
(數字口P13)		電風扇
高電壓（1）PWM 1023不轉動


 
Microbit
擴展板		電機
GNDG
5VV
S（13）IN+
S（12）IN-











三. 實驗現象 7-2：

按照之前的方式將示例代碼上傳到micro:bit主機板，上傳成功後，外接電源供電，並將擴展板上的撥碼開關撥到ON端，再將船型開關上的“1”端按下。電風扇順時針轉動5s，停止1s，逆時針轉動5s，停止1s，迴圈進行。



四. 完成品7-2：




 
 
Project 8：太陽能與USB充電鋰電池電源模組

 
一.實驗介紹：
 
本模組集成一片充放電晶片，通過PH2.0MM介面可以外接可充電電池，我們使用了單節鋰電池。模組有一個micro USB充電口與一個太陽板充電口，通過任意一個口都可以對外接的鋰電池進行充電。模組上也集成一個升壓模組，可將電池電壓升到6.6V。通過3P黃色彎排針G、V腳可以輸出6.6V電壓，排針的S腳可以讀取電阻1/2分壓後的電池電壓，模組上的撥動開關就是3P彎針6.6V的電壓輸出開關。

模組規格參數：
 
充電介面Micro USB 與 HP2.0MM太陽能板介面
太陽能板介面輸入電壓4.4-6V
電池恒壓充電值4.15-4.24V
最大充電電流800mA
輸出介面3 P 2.54mm 彎針排針
輸入電壓6.6V
最大輸出電流1A
外接電池單節鋰電池
環保屬性ROHS








 
 


 
 



模組的原理圖：
 
4.模組的簡單功能：

1.SOLAR4.8-6.0V 端是接太陽能板，太陽能通過太陽能板轉化成電能，是電源輸入端
 


2.BAT端是接電池盒（可充電電池）的，是電源輸出端，給電池充電，可將電能儲存在電池內。



3.這個撥動開關是電源開關，撥到ON端是接通外接單節鋰電池，這樣單節鋰電池的電流通過G、V引腳流向microbit擴展板，給microbit擴展板供電；
反之，撥到OFF端是斷開外接單節鋰電池的電流。


4.通過microUSB線連接到USB介面和電腦是可以給外接單節鋰電池充電的。



電池充電方式 : 將USB傳輸線插進USB介面，並打開綠能小屋開關，開啟後會幫電池充電，同時供電給小屋。




測試太陽能電池板是否能實際工作：
先將原來已經安裝在模組上BAT端的電池盒紅黑線的白色端子換成我們提供的另一根紅黑線的白色端子插入BAT端，同時將LED的長引腳（正極）插入紅導線中，短引腳（負極）插入黑導線中，然後把太陽能板放入太陽光照射下，一會兒就會看到LED點亮。這說明太陽能板發生了光電反應，太陽能轉為電能，有電流產生，電流大小達到一定值時，LED就會點亮。如下圖所示：







四. 完成品:

 
 

Project 9：1602 LCD 螢幕



一.實驗介紹：

Keyes I2C 1602 LCD模組是可以顯示2行，每行16個字元的液晶顯示器模組。液晶顯示器顯示藍底白字，自帶I2C通信模組，使用時只需連接單片機I2C通信介面，大大節約了單片機資源。最初的1602 LCD需要7個IO埠來啟動和運行，而Keyes I2C 1602 LCD模組內置Arduino IIC/I2C介面，節省了5個IO埠。和Arduino液晶擴充檔相容，用起來很簡單。
LCD非常適合列印資料和顯示數位。可以顯示32個字元(16x2)。



【A款】在Keyes I2C 1602 LCD模組的背面有一個藍色的電位器，可以轉動電位器來調整對比度。
連接時請注意，LCD的GND和VCC不能接反，否則會損壞LCD。

 



【B款】在Keyes I2C 1602 LCD模組的背面有一個銀色的小螺絲，可以使用內附的紫色螺絲起子或一字形螺絲起子來轉動電位器來調整對比度。

 

 
I2C LCD 1602模組規格參數：
工作電壓：DC5VI2C地址：0x27控制
介面：		I2C
工作電流：< 130mA工作
環境溫度：		0°C ~ 45°C（推薦）驅動
晶片：		PCF8574T
GND：一個接地的引腳VCC：一個連接到+5V電源的引腳
 		SDA：一個連接到SDA（或A4）的引腳，用於IIC通信
SCL：一個連接到SCL（或A5）的引腳，用於IIC通信背光（藍底白字）
 		可調對比度


二.程式設計



組合指令方塊：
 
擴充板I2C 1602 LCD 模組
GNDGND
5V5V
SDASDA
SCLSCL









三.實驗結果：

檔案下載至micro:bit主板，外接電源供電後，並將擴充板上的撥碼開關撥到ON端，再將船型開關上的“1”端按下。microbit主機板上LED點陣屏顯示“笑臉”圖案，再旋轉1602 LCD液晶顯示幕模組後面的電位器調節1602LCD液晶顯示幕的亮度後，1602 LCD液晶顯示幕模組的顯示幕上第一行顯示“Keyestudio”字元，第二行顯示秒數，每過0.5s，數字加1。



四. 完成品：


 
 

Project 10：水滴水蒸氣感測器



一.實驗介紹：

這是一個常用的水滴水蒸氣感測器。它的原理是通過電路板上裸露的金屬花紋區檢測水量的大小。水量越多，就會有更多的導線被聯通，隨著導電的接觸面積增大，輸出的電壓就會逐步上升。除了可以檢測水量的大小，它還可以檢測空氣中的水蒸氣。即：水滴感測器是一種模擬感測器，可以作為一個簡單的雨水探測器和液位元開關。當感測器表面的濕度升高時，輸出電壓將升高，讀取到的模擬值即增大。
該感測器相容各種單片機控制板，如micro:bit系列單片機。使用時，將感測器信號端輸入到micro:bit系列單片機的類比口，感知模擬值的變化，並在串口監視器上顯示出對應的類比值。
注意事項：連接部位不防水，請勿放入水中。

水滴水蒸氣感測器的規格參數：
 
工作電壓：DC 3.3-5V
工作溫度
範圍：		－10℃～＋70℃
最大工作
電流：		5uA
(DC5V，或者當水滴感測器兩腳直接短接)
控制介面：模擬輸出


二. 程式設計





組合指令方塊：
 
Microbit擴展板水滴水蒸氣
感測器
GNDG
3V3V
S(0)S








三. 實驗現象:

先將micro:bit與Make Code平台連接:







檔案下載到micro:bit主機板，利用micro USB資料線上電。這樣，microbit主機板上LED點陣屏顯示“❤”圖案，同時點擊“顯示控制台(設備)”按鈕，串口監視器上顯示出對應的類比值。




四. 完成品:



 
 

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