學習目標 : 用faya電子積塊組出一倒車雷達系統
學習時間 : 180min
使用模組 : (1) faya brickNano
(2) faya 超音波距離感應模組
(3) faya 數位式蜂鳴器模組
(4) faya 自鎖開關模組
(5) faya 串列全彩LED模組 x 6
工具 : 樂高積木(相容)
====================相關知識====================
這篇文章中所用到的模組使用方式及相關知識整理如下，需進一步了解時可點進去參考:
模組介紹 : faya brickNano
模組介紹 : faya 超音波距離感應模組
模組介紹 : faya 數位式蜂鳴器模組
模組介紹 : faya 自鎖開關模組
模組介紹 : faya 串列全彩LED模組
模組介紹 : faya 串列全彩LED模組(使用fastLED函式庫)
======================開箱======================
彩虹倒車雷達(型號NTG-506)是fayalab的第六款創意組合系列作品，這個作品利用現有的faya模組，模擬了倒車雷達的現象，超音波距離感應模組與物體的距離會顯示在32顆串列全彩LED模組上，當物體愈靠近時，數位式蜂鳴器發出的聲音會愈急促，就像我們開車子的倒車雷達系統一樣。另外，我們加入了一個自鎖開關模組，用來決定是否開啟蜂鳴器的告警聲。
彩虹倒車雷達盒所需的全部模組及附件如下:
1. brickNano主板 2.超音波距離感應模組 3.自鎖開關模組 4.數位式蜂鳴器模組
5. 串列全彩LED模組 6. 電源線(B) 7. 電源線(A) 8. 積木柱子 9. 積木蓋子
10. 跳線包(含電容) 11. micro USB傳輸線 12.積木包 13. 積木底板 14. 積木補充包
===================範例實作=====================
目標:
(1) 利用faya電子積塊，製作倒車雷達系統
(2) 超音波距離感應模組偵測感應距離
(3) 偵測距離每減少一公分會多點亮一顆串列全彩LED
(4) 偵測距離愈短，蜂鳴器發出的聲音愈急促
(5) 自鎖開關用來切換是否開啟蜂鳴器
組裝:
首先把[1. brickNano主板]、[2.超音波距離感應模組]、[3.自鎖開關模組]、[4.數位式蜂鳴器模組]、[5. 串列全彩LED模組]的模組角落裝上[8.積木柱子]與[9. 積木蓋子]。其中[2.超音波距離感應模組]的前方兩個角落空間有限，因此只需要加裝柱子就好。
積木柱子的組裝過程可參考[功能介紹 : faya電子積塊與LEGO積木的結合]
積木蓋子的組裝過程可參考[小技巧 : 積木柱子太鬆時如何處理?]
完成後模組正面照如下圖所示:
背面照如下圖所示
接下來示範積木的組裝和線路的連接，大家可以按照底下的範例跟著做一次，熟悉安裝的步驟，之後再按照自己的喜好修改造型。如果照著我們的範例，組完後會長這個樣子:
顯示棒組裝
全彩倒車雷達會將測試到的距離透過32顆串列全彩LED模組顯示，因此我們必具製作一個長形結構，讓4個長形的[5. 串列全彩LED模組]能夠穩穩依附。
首先將[14. 積木補充包]裡的4個[2x10平板積木]擺成一直線
接著利用3個[2x6平板積木]從背面將以上的4個平板積木串起來，固定成一棒狀結構
然後在棒狀結構正面，安裝4個[5. 串列全彩LED模組]，模組位置和方向請和下圖一致
接下來在[10. 跳線包(含電容) ]中利用紫色的短跳線，將相鄰的串列全彩LED模組的VCC、GND、DATA串起來。
透過9條短跳線就可將全部模組的電源和訊號線串起，完成後如下圖所示
主體與模組組裝
首先利用一片2x10平板積木和二片2x6平板積木將[13. 積木底板]固定成長方形狀，另外也請在右方安裝一片6x8平板積木，位置下圖所示
接著在6x8平板積木上組出2組2層的2x5立體結構，位置和形狀如下所示
接著我們要在圖中圈圈位置安裝模組，其中
藍色圈圈 : 超音波距離感應模組
橘色圈圈 : 自鎖開關模組
粉紅圈圈 : 數位式蜂鳴器模組
白色圈圈 : faya brickNano主板
模組安裝完成後如下圖所示
再來用三條[6. 電源線(B)]將模組電源串起來，電源線的連接詳細原理可參考這篇文章，我們的連接方式為:
brickNano 主板 <==> 數位式蜂鳴器模組
數位式蜂鳴器模組 <==> 超音波距離感應模組
超音波距離感應模組 <==> 自鎖開關模組
完成後，用3顆2x4積木蓋第二層，其中中間的那顆積木會將拉出的電源線蓋住
接下來我們用[10.跳線包]裡的信號線連接數位式蜂鳴器模組和自鎖開關模組的腳位
Arduino_A5 ===> 數位式蜂鳴器模組_Vin
Arduino_D2 ===> 自鎖開關模組_PU
接下來用4顆2x4模組，蓋出第三層，位置如下所示，注意到左右兩顆2x4的積木會有一半往後延伸，目的是為了和後方的積木結合，目前呈踩空狀態不用在意。
再來我們用兩條最長的綠色訊號線連接Arduino與超音波測距模組的腳位
Arduino_D11 ===> 超音波距離感應模組_Echo
Arduino_D12 ===> 超音波距離感應模組_Trig
完成後我們用3顆2x4的積木蓋第四層如下圖所示
接著蓋第五層，如下所示，注意到中間的兩顆為90度的轉角積木
請注意兩個90度的轉角積木的安裝方向，他們的後方要稍微突出才是正確的
完成後用一個1x2的積木將兩個90度轉角積木壓住，使其更固定
最後將我們剛開始組好的顯示棒安裝扣到90度的轉角積木上，安裝位置請大家參考以下幾張不同角度的照片
由近照看出最後組的1x2的積木上方緊鄰的就是串列全彩LED模組
利用顯示棒上的平板積木(第二格)和90度轉角積木結合
完成顯示棒的安裝後， 我們進行主體安裝的最後一步驟，連接顯示棒的電源線和信號線。電源線方面，用一條[5. 電源線(A)]，將白色頭端接brickNano的電源座，另一端的紅黑針腳穿過正下方的積木縫隙，連接顯示棒的VCC(紅色-左邊)和GND(黑色-右邊)。
訊號線的連接方式也是穿過下方的積木空隙連接兩端
Arduino_D6 ===> 串列全彩LED模組_Din
前兩個步驟所提到的積木空隙位於下圖虛線方框處
到目前為止，倒車雷達的主體架構算是已經完成了，接下來我們可以用剩下的積木做一些點綴，大家可以依照自己的喜好組出自己的倒車雷達外觀。底下是筆者組出的外觀，大家可以參考參考!
正面照:
45度角側照
正面近照
側面照
背面照
背面近照:可以發現我們保留了一個孔讓USB線可以拉到外面
完成了主體和線路的安裝，我們接下來可以開始利用Arduino程式來控制每個模組了，底下我們把最終的彩虹倒車雷達作品循序的拆成3部分來介紹
(1) 量測感應距離
(2) 將感應到的距離顯示在LED顯示棒上
(3) 加入雷達示警聲
(1) 量測感應距離:
目標 : 將感測距離顯示在序列埠監控視窗
補充 : 偵測移動的距離最小單位為一公分
備註:
- L41~L44: 取得一次感測距離的方式，我們在之前的文章介紹過原理了，請參考[模組介紹:faya超音波距離感應模組]
- L39~L48: 取五次的距離再取平均，讓量測誤差達到最小
- L28: 由於蜂鳴器的電源線和訊號線已經拉好了，因此我們在Setup裡面先下一個LOW訊號，使其靜音。
- 由於串列全彩LED模組的電源線和訊號線已經拉好了，此模組未給控制訊號時會全部點亮，因此下載程式前可以先把電源線的VCC拔掉，避免太亮。
觀察結果:
討論:
從影片中大家可以看到監控視窗內的數字隨著感應距離變短而降低，如果大家打開喇叭，會聽到類似風壓的聲音，其頻率隨著感應距離的靠近而變高，這是因為感測器打出的訊號頻率是超音波，我們的耳朵聽不到，但是手機的麥克風是接收的到的，透過錄影轉換後變成耳朵可以聽得到的音頻。當物體愈靠近時，超音波傳輸的距離也跟著變短，因此頻率變高了，這是很有意思的一個現象。
(2) 將感應到的距離顯示在LED顯示棒上
目標 : 將感測距離顯示在LED顯示棒上
補充 : 有效距離為4~35公分之間，每接近一公分亮一顆燈，所以當感應距離 =>
在36公分以上時，LED全滅
35公分時，LED亮1顆
34公分時，LED亮2顆
......
5公分時，LED亮31顆
4公分時，LED亮32顆 (全亮)
4公分以內，LED同樣全亮
備註:
- 本程式需要用到[FastLED]函式庫，請下載並解壓縮至Arduino Libraries 資料夾
- L71~L79 : 利用FastLED函式庫控制32顆LED的顏色，請參考我們之前的教學[模組介紹:faya串列全彩LED模組(使用fastLED函式庫) ]
- L61、L70 : 超音波距離感測器大約在3公分以內是不準的，我們多給1公分緩衝，因此最近的有效感應距離從4公分開始算，另外我們有32顆LED，亮一顆LED代表接近一公分，因此我們真正的量測範圍在4~35公分之間，超過36公分以上的距離則無LED點亮。
- L63~L67 : 由於偵測距離大於36公分，因此我們跑一個32次的迴圈，讓每顆LED都熄滅
- L72~L79 : (36-distance)用來判斷有幾顆LED會亮起，如果距離distance為4時，代表36-4 = 32顆LED全亮，如果distance為35時，代表只有36-35 = 1顆LED亮。這邊同樣跑一個32次的迴圈，並用 (36-distance)是否大於i來判斷該LED是否點亮，點亮的顏色則設定在第75行的程式
- L75 : 平均分配LED的顏色，由於一個cycle有256種顏色，256/32(顆) = 8，因此我們每一顆的顏色間隔設定為8。
觀察結果:
討論:
從影片大家可以發現LED顯示棒如預期的隨著偵測距離變短，顯示的LED變多，在接近4公分時，LED全亮，超過36公分時，LED全滅。接下來我們會加入雷達示警聲的程式。
(3) 加入雷達示警聲
目標 : Buzzer產生的示警頻率隨著感應距離的變短而急促
補充 : 壓下自鎖開關時，啟動雷達告警聲，當偵測距離由30公分接近5公分時，示警頻率愈來愈急促，小於5公分時，示警聲長鳴
備註:
- L88 : 我們為了要讓雷達示警聲的頻率和感應距離成正比 (距離愈短，輸出聲音愈急促)，因此加了millis()-time > (int)(10*distance)判斷式，例如偵測距離為20公分，此時當時間間隔為20x10=200ms時才進入雷達聲副程式產生響音，當偵測距離縮短到7公分時，時間間隔縮短到7x10=70ms就進入雷達聲副程式產生響音。
- L90、L94 : 利用兩個簡單的判別式，決定是否啟動雷達聲
- L100 : 判斷30公分以上的距離無雷達聲
- L106、L119 : 將雷達聲副程式分成兩種鳴叫方式，5公分以內雷達長鳴，5~30公分間雷達嗶嗶鳴叫，鳴叫的長度為 (10*distance) ms，休息的長度也是 (10*distance) ms。
觀察結果:
討論:
- 影片如預期的當偵測距離愈靠近時，顯示的燈愈多，且雷達示警聲愈急促，當接近到大約4公分左右時，雷達長鳴。
- 如果仔細聽雷達的示警聲，應該可以感覺出示警聲混著雜音，這是由於fastLED所產生的串列數位訊號，原本用來控制串列全彩LED的，但是由於共地(GND)的關係，此訊號也透過地線影響蜂鳴器模組，此時，我們只要在VCC和GND之間，加上一顆220uF的電容，就能把雜訊濾掉，安裝位置與方向如下所示
- 我們利用一段影片來比較加入電容前和電容後的聲音
最後我們再看一次安裝電容後的完整的彩虹倒車雷達影片
討論:
這一次的範例教學，我們利用過去所學的知識，將程式拆成三段，每次加入不同的faya電子積塊和程式，最後達到彩虹倒車雷達的功能。我們發現控制串列全彩LED所產生的串列訊號很明顯的影響到蜂鳴器的品質，因此利用一顆電容將雜訊去除，除了模擬了倒車雷達系統的動作，更加入了彩虹顯示棒，大大增加了作品的互動性。
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