這篇文章來源于DevicePlus.com英語網站的翻譯稿。

本文最初發布在deviceplus.jp網站上，而后被翻譯成英語。

在本系列文章中，主要是通過使用Raspberry Pi創建的簡單項目來學習電子設計的原理和基礎知識。此次的分享嘉賓是伊藤尚未先生，一位媒體藝術家和作家，以講解“更深層次的原理”而聞名。本文將探討傳感器輸入實驗。

[目錄]

1. 前言
2. 電機旋轉原理
3. 傳感器概述
4. 光電晶體管與GPIO的連接
5. 光反射器與GPIO的連接
6. 結論

1. 簡介

這個世界每天都在飛速發展，很多人跟不上發展的步伐，并非他們對新事物不感興趣，而是在各個方面與時俱進實在是心余力絀。因此，我會先對各類不同事務進行思考，然后整理思考結果并確定我應該做的事情，專注于我認為有趣的事情并全身心投入去做，這就是今天我在這里所做的工作的源動力。

2. 電機旋轉原理

在上一篇文章中我們用的是直流電機。我在汽車模型、塑料模型和無線電控制模型方面有著豐富的經驗。我認為直流電機就像是能量轉換的代表，能夠將電能轉換成動能。下面通過簡單的原理圖來具體說明。

當然，基本原理是電流產生的磁場會影響永磁體（鐵氧體磁鐵）的磁場，從而產生等于動能的物理力。想知道這個機理是什么嗎？對，就是弗萊明左手定則。大家應該都聽說過吧。

弗萊明左手定則
首先，您應該知道，弗萊明定則分為右手定則和左手定則。拇指、食指和中指互相垂直，分別代表三維XYZ軸。拇指代表力的方向，食指代表磁場的方向，中指代表電流流動的方向。

通過使自己的左右手擺成這種造型，即可直接了解這三者之間的關系。將肘部彎曲并暫且將手拉至胸前，然后將肘部向左右45度方向伸展，并大聲說“耶！” 關鍵在于左右手的形狀。一只手代表電機的原理，另一只手代表發電機的原理，怎么樣？大家還記得哪只手代表電機哪只手代表發電機嗎？

一只手代表通過電能產生動能的電機；另一只手代表通過動能創造電能的發電機。對于慣用右手的人而言，很容易就能記住右手是勤勤懇懇不斷運動的“發電機”，那么左手就是動作不夠麻利的“電機”。接下來，讓我們進入主題，嘗試通過Raspberry Pi使用傳感器。

3. 傳感器概述

一提到傳感器，大家就會想到一個以電子方式檢測某些條件狀態的裝置或電子器件。具體有哪些條件狀態呢？包括光、聲音、溫度、濕度、傾斜度以及加速度等。比如在我們的日常生活中離我們很近但我們卻不想經歷的火災報警器，配有能夠感應溫度和煙霧的傳感器，當溫度和煙霧達到一定條件時即會觸發警報機制。另外，數碼相機也配備有光傳感器。現在的傳感器已經非常先進，甚至可以通過人工智能（AI）技術分析圖像和識別固體物，這種識別能力已經超過了傳感器本身的功能。

可以想象一下，當您走在街上，聽到有人喊您，如果遇到心里想“這是誰來著?”的情況，此時此刻，真希望自己的大腦能連接AI設備啊。
總之，電子作品可以使用的設備、元器件及其工作機制種類繁多，還有一些產品可以像擴展組件一樣與微控制器相連，并直接獲取數據。在本文中，我們將回歸基礎，使用一種叫做“光電晶體管”的光傳感器。以前，提到光傳感器，就是指硫化鎘（CdS）光敏電阻，這是一種一旦接收到光其電阻值就會下降的元件。顧名思義，這種傳感器采用硫化鎘制成，但出于環保方面的考慮，這種傳感器的使用已經越來越少。

NJL7502L光電晶體管（左）和2個硫化鎘光敏電阻（右）

這種光電晶體管采用半導體制成，與一般的雙極晶體管結構相同。二者唯一的區別是光電晶體管的輸入是光。

圖形符號

從圖形符號來看，這種晶體管與NPN型晶體管相似，但沒有B端（基極），取而代之的是一個箭頭。這個箭頭代表光，因此B端（基極）輸入的并非電流，而是入射光。也就是說，C端（集電極）到E端（發射極）之間輸出的是光的強弱。具有根據光的情況進行放大或開關的功能。

光電晶體管與GPIO的連接

我們嘗試將光電晶體管與Raspberry Pi上的GPIO相連。使用的語言是Scratch，傳感器的取值方法與開關相同，為1和0。

這個電路簡直太簡單了，簡單到甚至讓人懷疑用這個電路到底能不能工作，那么就讓我們來試一試吧。
當沒有光射入光電晶體管時，輸入設置為“pullup”，因此開關ON。也就是說，此時值為1。有光射入時，在光電晶體管的作用下，輸入變為負值，開關OFF，值變為0。

聲明GPIO，然后將輸入GPIO設置為“pullup”，通過小貓編程軟件【應該是指兒童編程軟件Scratch-譯注】輸出結果。將光照射在傳感器上，或用手遮住傳感器部分擋住光，可以看到值變成1或者0。這里我們使用的是光傳感器，大家也可采用其他不同的傳感器來試一試制作不同的作品。例如，采用溫度傳感器——熱敏電阻，創建一個當溫度升高時可以打開電機送風的裝置；還可與濕度傳感器配合使用，創建中暑警報器等作品。總之，GPIO輸入真的非常方便！

通過光來檢測物體的傳感器

在很多情況下，光電晶體管可能會受到周圍環境光的影響。當然，在黑暗的環境中這種傳感器就沒有用武之地了。因此，與LED結合使用，也就是與光源配對使用光電晶體管，效果會更好。這種配對使用的元器件有很多種，具體的結構和檢測方法等也不盡相同。

光斷續器是將光電晶體管與LDE成直線配置，使LED的光直接輸入到光電晶體管，當有物體穿過它們當中并遮擋光線時，就會檢測到該物體的一種感測裝置。此類設備一般用于工廠生產線和打印機等設備中，所以我們在生活中并不常見。

光反射器則是將LED和光電晶體管安裝在同一方向，當有物體通過它們前面時，就會檢測到反射光的一種感測裝置。最常見的應用是公共衛生間的自動沖水傳感器。

光電耦合器由LED和光電晶體管配對組成，但這種產品不是用來檢測其間物體的，而是用來通過光傳輸信號的。因此，光電耦合器并不是傳感器，但因其同樣使用了光源和光接收器件而暫且列為傳感器的伙伴吧。光電耦合器無需連電即可傳輸信號，因此適用于注重電路安全的應用，以及向電氣特性不同的電路傳輸信號的應用。

光反射器與GPIO的連接

此次，我們打算使用ROHM的RPR-220光反射器。這種光反射器由LED和晶體管組成，接下來我們來了解一下它們的特性。

RPR-220

首先，LED部分的電壓和電流分別為1.34V和50mA，光電晶體管部分集電極電流為300mA，因此LED電源需要使用3.3V的Raspberry Pi電源引腳，連接51Ω的限流電阻器，并與LED部分連接。這種LED的光是紅外光，肉眼無法直接看到，但使用數碼相機可以很清楚地看到它在發光。

光電晶體管部分的電路與之前的電路相同。這樣，就可以發揮傳感器的作用了。我們暫且嘗試了讓LED自行點亮。當然，也可以像之前一樣，嘗試讓電機轉起來。

面包板組裝示意如圖如下：

Scratch程序示意如圖如下：

完成以上步驟后，當傳感器前面有東西時，LED就會點亮。

看！LED點亮！

在光反射器的結構是發光單元和光接收單元分開配置在封裝內部的。由于是用來反射光的產品，所以如果有什么東西與封裝緊密接觸，光接收單元就無法很好地接收反射光。對于RPR-220來說，距離封裝6mm為宜。因此，可能設想創建一些通過玻璃或亞克力板放置什么東西的項目比較好。

4. 結論

這次我們嘗試了傳感器輸入實驗，進一步了解了通過簡單的原理來處理傳感器的方法。但我們不能就此止步。我希望繼續探索具體應用，嘗試做有趣的項目，或者創建一些實用產品。在下一篇文章中，我們將會運用迄今為止所學到的原理和工作機制，來介紹創建具體作品的技術和過程。

雖然通過實驗來驗證原理和工作機制非常重要，但我更期望在不斷創新的同時，能夠更多地思考在哪方面可進行更深入的探索，不斷拓展應用范圍。

DevicePlus 編輯團隊

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審核編輯黃宇