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[电子] 创客的工具(电子篇)

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  创客,对于他所创造的产品来说,某种意义上就像是上帝一样的存在,或许正因为如此,英文中才会以Maker一词(其中一意为“上帝”)来命名这些创造者吧。学着上帝造人的过程,创客首先利用机械结构为产品打造身躯;再用电子技术为身躯提供能源和动力;最后以计算机技术为产品塑造大脑和灵魂。之前,我分享过为产品打造身躯所需要的工具,而这一次,我要分享的是在创造产品的第二个步骤中,创客会用到哪些工具来启动和运转产品的身躯。

        我们先抛开机械不说,无论你是想点亮一展LED灯、还是想发射或接收信号,只要是通过电子器件实现某种功能,那么第一要素就是电源,所以我首先推荐的一个工具是学生电源(推荐指数5星),学生电源通过连接家用220V交流电输出安全电压(36V)范围内的电压,常见的学生电源能够输出2V到20V的电压以及2A电流的直流电,对于创客的一般实验需求是非常有用的工具。现在市面上常见的电源还有低电压交流电源、大电流低电压直流电源等产品,这些是为了一些特殊需求定制的电源工具,创客在创造不同的产品时,所需要选用的电源也是不同的,在这里推荐学生电源是因为它的通用性更强,电压可调点更多,且使用更安全等因素。有了电源之后,如果你不想你的用电器一直工作,那么你可能会需要一个开关(学生电源上已经整合了一个简易开关)来导通和阻断电路。所以再推荐一个小元件:船型开关(推荐指数3星)。虽然开关的种类繁多,有微动开关、船型开关、钮子开关、拨动开关、按钮开关、按键开关等等,但是稳定、易用而且常见的就是船型开关。在众多的开关中,有一个有趣的开关,叫做电磁继电器,这个东西是利用小电流电路控制大电流电路,也可以用于一些简单的自动控制。听上去似乎电磁继电器还不错,但实际上它是一个电子科技发展中的过渡产品,因为随着现代工艺的优化、材料性能的提升以及传感器的普及,越来越多的自动控制系统中抛弃了电磁继电器转而使用信号控制(信号控制涉及了计算机技术,将在之后的分享中具体讨论),所以本文对电磁继电器不做推荐。
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        好了,现在有了电源和开关,再加上一些简单的设备和元件你就可以实现一些纯电子电器的功能了。但有时候,你会发现你的电路似乎不能实现你所设想的功能,这时候我们需要对电路进行检查和修复,由此引出一个非常非常有用的工具:万用表(推荐指数5星)。这个工具简直就像是倚天剑屠龙刀一般的存在,无论是针对最简单的电路还是最复杂的电路,熟练地使用万用表都能够将那些电路中常见的问题检测出来,电子专业人士看到万用表立马就会有一种无以言表的安全感,如果再看到示波器,估计没有什么是不敢做的了~但是由于示波器需要较专业的知识才能掌握而且价格昂贵,我就不推荐给各位了。
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        随着创客们熟悉了最简单的电路,有时会想设计更为复杂电路,那么怎样保证电路能够正常运行呢?我再推荐给创客们一个非常好玩的CAD软件:Multisim(推荐指数4星)。这个工具是著名设计软件公司National Instruments(简称NI)的产品,Multisim不仅提供电路设计,最重要的是它有仿真的功能,最简单的操作就是你可以在电路的输出端加上一个示波器模拟器来监测输出信号,这让使用者在设计阶段就能具象地理解电路的状况,并在电路有错误的时候能在设计阶段进行改良,这为设计节省了不少时间。实际上这套工具中不仅包含了Multisim这个电路设计、仿真工具,还包含了Ultiboard这个电路板工艺设计工具,但是对创客来说,在产品设计阶段,是不需要去制作电路板(PCB)的,毕竟在设计过程中还会有很多调试和修改。如果直接将设计的电路做成电路板来进行功能验证,将会使得调试工作非常困难。所以为了能够更轻松的修改和调试电路,创客们常使用的另一个工具就是面包板(推荐指数5星),面包板其实就是一块有很多小孔的模块化的电路板,这块电路板上除了小孔别无他物,创客们可以将任意电子元器件和电线的引脚在这些小孔中插拔无限次数,这不但省去了焊接的工作,也方便了调试和修改电路。
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        在此之前,我们谈及都是纯电子科技的工具,但是当创客想要利用电能来驱动机械结构时,我们最常使用的工具就是电动机(推荐指数4星),电动机的种类繁多,当用于驱动一个小车时,我们会使用最简单的直流电机;当用于驱动机械臂时,我们常用伺服电机(Servo);当需要精确控制时,我们又会用到步进电机。针对不同的需求,就要使用不同的电动机,所以我在这只对电动机这个大类做一个推荐。如果一定要具体一些的话,我会推荐伺服电机,因为它容易控制,稳定,带反馈系统。
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        在这次的分享中,我所谈论的都只是怎样使用电能去实现某种功能而已,并没有谈论如何确保功能实现的更加准确无误。举个例子,假设我想让一个机器把一头大象放进冰箱,于是我创造了一个机械臂,它可以在能量的驱动下依次完成1. 打开冰箱门,2. 将大象放进冰箱,3.关上冰箱门。然后我又设计了一个电路,我只要一按开关,电源就开始驱动机械臂。在此之前,我还需要把冰箱放在合适的地方,还要把大象放到机械臂手里。但如果哪天我忘记了提前做这些工作,那么在我开启开关之后,机械臂可能会打翻冰箱,也可能会把大象放进了冰箱旁边的衣柜,还可能会把大象旁边的长颈鹿放进了冰箱,甚至会把长颈鹿放进了衣柜…换言之,只要整个流程中出现了一点点偏差,我将无法控制我一开始设计机械臂的初衷。这用专业术语来说,叫做开环控制,而非闭环控制,开环控制的弊端在于机械或设备因为对于它周遭环境的不理解,只是简单的重复被设定的程序,不能够有效的完成所期望的功能。为了避免这样尴尬的境地,科学家们发明了:传感器,也就是此次推荐中压轴出场的工具。传感器顾名思义就是传递感官的器具,各式各样的传感器可以将诸如光线、重量、声音、距离、温度等等人类能够感受到或不能感受到的属性转变为电信号供计算机系统监测和参考。在上面那个例子中,传感器就像是我派了一个人在机械臂旁边站着一样,这个人把现场的情况告诉我,让我能够了解机械臂手上是否抓着大象,或者机械臂打开的是否是冰箱的门等等,如果不是,那我就介入干涉,确保机械臂进行正确的操作。这样,我终于可以每一次都如愿的把大象放进冰箱了。但别忘了传感器是为计算机所用的,而非人类,所以在此仅仅做一个简单的概念引入,我将在“创客的工具(计算机篇)”中更具体地为大家讲述传感器的特点。
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dsweiliang  初级技神

发表于 2017-5-3 13:53:56

学习了~
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