微控制器互動輸入與感測技術解析

微控制器應用中，人機互動與環境感測至關重要。本文涵蓋按鈕、電容式觸控、加速度計、針、麥克風、光線和溫度感測器等常見互動輸入和感測技術，並以 micro:bit、Circuit Playground Express 和 PyBoard 為例，展示如何在 MicroPython 中運用這些技術。文章從按鈕的底層原理出發，逐步探討不同開發板的按鈕使用方法、中斷處理機制以及電容式觸控的應用。接著，文章講解加速度計、磁力計和手勢識別的原理和程式設計方法，並以程式碼範例說明如何結合這些感測器實作更豐富的互動功能。最後，文章介紹麥克風、光感測器和溫度感測器的工作原理，並提供 MicroPython 程式碼範例，展示如何使用這些感測器取得環境資訊，例如錄製音訊、檢測光線強度和溫度變化等。

按鈕與電容式觸控技術的深度解析

在微控制器開發板中，按鈕（Button）是最常見的人機互動元件之一。無論是micro:bit、Circuit Playground Express還是PyBoard，按鈕都扮演著至關重要的角色。本文將探討不同開發板上的按鈕使用方法及其底層原理，並結合具體程式碼範例進行詳細分析。

按鈕的基本原理

按鈕本質上是一種數位輸入裝置，只有兩種狀態：按下（Pressed）或釋放（Released）。這種狀態變化透過連線按鈕的引腳傳遞給微控制器。微控制器透過檢測引腳的電壓變化來判斷按鈕的狀態。

引腳的三種狀態

1. 高電平（High）：當引腳檢測到特定的電壓（如3.3伏特），則認為是高電平。
2. 低電平（Low）：當引腳無法檢測到電壓（0伏特），則認為是低電平。
3. 浮空（Floating）：如果引腳未被明確設定為高或低電平，則可能出現浮空狀態，此時微控制器可能無法準確判斷輸入狀態。

為了避免浮空狀態，需要將引腳設定為上拉（Pull-up）或下拉（Pull-down）。上拉模式下，引腳預設為高電平；下拉模式下，引腳預設為低電平。

micro:bit上的按鈕使用

在micro:bit上，按鈕的使用非常簡單。提供了is_pressed()、was_pressed()和get_presses()三個方法，分別用於檢測按鈕當前狀態、檢查按鈕是否曾經被按下以及取得按鈕的累計點選次數。

Circuit Playground Express上的按鈕處理

在Circuit Playground Express上，按鈕的使用需要更底層的操作。以下是一個範例程式碼，展示如何使用digitalio模組來控制NeoPixels的閃爍方向：

import neopixel
import time
import digitalio
from board import NEOPIXEL, BUTTON_A, BUTTON_B

np = neopixel.NeoPixel(NEOPIXEL, 10, auto_write=False)
button_a = digitalio.DigitalInOut(BUTTON_A)
button_a.pull = digitalio.Pull.DOWN
button_b = digitalio.DigitalInOut(BUTTON_B)
button_b.pull = digitalio.Pull.DOWN

clockwise = True
while True:
    time.sleep(0.05)
    if button_a.value:
        clockwise = True
    elif button_b.value:
        clockwise = False
    for i in range(10):
        if clockwise:
            i = 9 - i
        for j in range(10):
            np[j] = tuple((max(0, val - 64) for val in np[j]))
        np[i] = (0, 0, 254)
        np.write()

內容解密：

1. 初始化NeoPixels和按鈕物件：使用neopixel和digitalio模組初始化NeoPixels燈條和兩個按鈕物件，並將按鈕的提取模式設定為下拉。
2. 主迴圈邏輯：在主迴圈中，程式會檢查兩個按鈕的狀態。如果按鈕A被按下，則設定clockwise為True；如果按鈕B被按下，則設定為False。
3. 控制NeoPixels閃爍：根據clockwise的值，程式會以不同的方向點亮NeoPixels，並逐漸降低其他燈光的亮度，形成閃爍效果。

PyBoard上的按鈕與回呼函式

PyBoard提供了另一種與按鈕互動的方式，即使用回呼函式（Callback）。以下是一個簡單的範例：

import pyb

led = pyb.LED(1)
sw = pyb.Switch()

def toggle_led():
    led.toggle()

sw.callback(toggle_led)

while True:
    pyb.delay(100)

內容解密：

1. 初始化LED和開關物件：使用pyb模組初始化LED和開關物件。
2. 定義回呼函式：定義一個名為toggle_led的函式，用於切換LED的狀態。
3. 註冊回呼函式：將toggle_led函式註冊到開關物件的回呼事件中，當開關被按下時，自動呼叫該函式。

互動輸入與感測技術

在微控制器開發中，互動輸入與感測技術是至關重要的環節。這些技術使裝置能夠對使用者的輸入做出反應，從而實作各種應用功能。本章節將探討按鈕輸入、中斷處理以及電容式觸控等技術，並透過具體範例展示如何在不同的硬體平台上實作這些功能。

按鈕輸入與中斷處理

在微控制器開發中，按鈕是一種常見的輸入裝置。當按鈕被按下時，會觸發相應的事件，從而執行特定的程式碼。為了有效處理按鈕輸入，通常會使用中斷機制。

中斷機制的工作原理

當按鈕被按下時，相關的引腳狀態會從低電平變為高電平，觸發微控制器的中斷。此時，微控制器會暫停當前任務，儲存其狀態，並呼叫與按鈕相關聯的中斷處理函式。中斷處理函式執行完畢後，微控制器會還原之前儲存的狀態，繼續執行被中斷的任務。

import pyb

# 初始化按鈕物件
sw = pyb.Switch()

# 定義回呼函式
def my_callback():
    pyb.LED(1).toggle()

# 設定按鈕回呼函式
sw.callback(my_callback)

程式碼解析：

1. 匯入 pyb 模組，該模組提供 PyBoard 的硬體控制介面。
2. 初始化一個 Switch 物件 sw，代表板上的按鈕。
3. 定義一個名為 my_callback 的函式，當按鈕被按下時，該函式會被呼叫，切換 LED 的狀態。
4. 使用 sw.callback(my_callback) 設定按鈕的回呼函式。

電容式觸控技術

電容式觸控技術利用人體的電容特性來檢測觸控事件。當人體接觸到特定的引腳時，會改變該引腳的電容值，從而觸發相應的事件。

micro:bit 平台上的電容式觸控

在 micro:bit 平台上，電容式觸控可以透過特定的引腳（標記為 0、1 和 2）來實作。

from microbit import display, Image, pin0

while True:
    display.show(Image.ASLEEP)
    if pin0.is_touched():
        display.show(Image.HAPPY)

程式碼解析：

1. 匯入必要的模組，包括 display、Image 和 pin0。
2. 在無限迴圈中，顯示 ASLEEP 影像。
3. 當 pin0 被觸控時，is_touched() 方法傳回 True，顯示 HAPPY 影像。

Circuit Playground Express 平台上的電容式觸控

在 Circuit Playground Express 平台上，多個引腳都支援電容式觸控。

import neopixel
import touchio
import digitalio
from board import *

# 停用喇叭以避免雜訊
spkr = digitalio.DigitalInOut(SPEAKER_ENABLE)
spkr.switch_to_output()
spkr.value = False

# 初始化 NeoPixel
np = neopixel.NeoPixel(NEOPIXEL, 10, auto_write=False)

# 初始化觸控輸入物件
touch_a1 = touchio.TouchIn(A1)
touch_a3 = touchio.TouchIn(A3)
touch_a4 = touchio.TouchIn(A4)
touch_a6 = touchio.TouchIn(A6)

while True:
    if touch_a4.value:
        np[0] = (255, 0, 0)
        np[1] = (255, 0, 0)
    if touch_a6.value:
        np[3] = (0, 255, 0)
        np[4] = (0, 255, 0)
    if touch_a1.value:
        np[5] = (255, 255, 0)
        np[6] = (255, 255, 0)
    if touch_a3.value:
        np[8] = (0, 0, 255)
        np[9] = (0, 0, 255)

    # 使 NeoPixel 漸漸變暗
    for j in range(10):
        np[j] = tuple((max(0, val - 32) for val in np[j]))
    np.write()

程式碼解析：

1. 初始化 NeoPixel 和多個觸控輸入物件。
2. 在無限迴圈中，檢查各個觸控輸入物件的狀態，若被觸控，則點亮對應的 NeoPixel。
3. 使用迴圈使 NeoPixel 的亮度漸漸降低，實作漸暗效果。

PyBoard 的 LCD 螢幕觸控功能

若 PyBoard 連線了 LCD 螢幕，則可以使用螢幕的觸控功能來實作互動輸入。

import lcd160cr

# 初始化 LCD 物件
lcd = lcd160cr.LCD160CR('X')
lcd.erase()

while True:
    a, x, y = lcd.get_touch()
    if a:
        lcd.set_pixel(x, y, lcd.rgb(255, 255, 255))

程式碼解析：

1. 初始化 LCD 物件並清除螢幕。
2. 在無限迴圈中，使用 get_touch() 方法取得螢幕的觸控狀態和座標。
3. 若螢幕被觸控，則在對應的座標上繪製白色畫素點。

加速度計、手勢與針：微型裝置中的互動技術

在現代的微型計算裝置中，如micro:bit、PyBoard和Circuit Playground Express等，內建了多種感測器，使得裝置能夠感知其方向、運動狀態，甚至識別特定的手勢。這些功能大大豐富了人機互動的方式，使得裝置更加智慧化和易於使用。

加速度計的工作原理

加速度計是一種機電裝置，透過測量因重力或加速度引起的品質移動所導致的電容變化，將機械運動轉化為電訊號。這種技術與觸控式螢幕的工作原理類別似，都是根據電容變化的測量。加速度計通常包含三個獨立的感測器，分別測量X、Y和Z三個垂直軸上的重力或加速度。

針與磁力計

磁力計則是用於測量磁場的裝置。在micro:bit中，磁力計採用了微型的霍爾效應感測器，可以測量地球磁場在X、Y和Z三個軸上的分量。透過校準和對這些測量值的分析，可以確定裝置的方位，使其能夠作為針使用。

程式設計介面

這些裝置的加速度計和磁力計的程式設計介面非常相似，通常傳回X、Y和Z三個軸上的測量值。例如，在micro:bit上，可以使用以下程式碼來控制螢幕上畫素的移動：

from microbit import *
x = 2
y = 2
sensitivity = 50
pause = 90
fade = 2
while True:
    roll = accelerometer.get_x()
    yaw = accelerometer.get_y()
    if roll < -sensitivity:
        x = max(0, x - 1)
    elif roll > sensitivity:
        x = min(4, x + 1)
    if yaw < -sensitivity:
        y = max(0, y - 1)
    elif yaw > sensitivity:
        y = min(4, y + 1)
    for i in range(5):
        for j in range(5):
            brightness = max(0, display.get_pixel(i, j) - fade)
            display.set_pixel(i, j, brightness)
    display.set_pixel(x, y, 9)
    sleep(pause)

內容解密：

• accelerometer.get_x() 和 accelerometer.get_y() 用於讀取加速度計在X和Y軸上的測量值，反映裝置的傾斜狀態。
• sensitivity 變數用於設定靈敏度閾值，避免過於敏感導致誤動作。
• 程式碼透過改變畫素的位置來實作裝置傾斜控制螢幕上影像的效果。
• display.set_pixel 和 display.get_pixel 用於控制和讀取螢幕上畫素的亮度。

手勢識別

加速度計還可用於識別特定的手勢，如搖晃、自由落體或正面朝上。目前，micro:bit對手勢識別有內建支援。以下是一個簡單的例子：

from microbit import *
while True:
    if accelerometer.was_gesture('shake'):
        display.show(Image.ANGRY)
    elif accelerometer.was_gesture('face up'):
        display.show(Image.ASLEEP)
    elif accelerometer.was_gesture('up'):
        display.show(Image.HAPPY)
    sleep(100)

內容解密：

• accelerometer.was_gesture 方法用於檢測特定的手勢，如搖晃（‘shake’）、正面朝上（‘face up’）或直立（‘up’）。
• 根據檢測到的手勢，裝置會在螢幕上顯示不同的影像，如憤怒、睡著或快樂的表情。
• 這種互動方式極大地增強了裝置與使用者之間的互動體驗。

結合針功能

micro:bit內建的磁力計可以用作針，但需要先進行校準。以下是一個簡單的針範例：

from microbit import *
compass.calibrate()
while True:
    sleep(100)
    needle = ((15 - compass.heading()) // 30) % 12
    display.show(Image.ALL_CLOCKS[needle])

內容解密：

• compass.calibrate() 方法用於校準針，需要使用者透過旋轉裝置來完成校準過程。
• compass.heading() 傳回裝置相對於磁北的方位角。
• 程式碼將方位角轉換為時鐘指標的位置，並顯示在螢幕上，以模擬針的效果。

麥克風、光線與溫度感測的原理與應用

在微控制器和開發板上，感測器扮演著至關重要的角色，讓裝置能夠感知周圍環境的變化。Circuit Playground Express 和 micro:bit 等開發板搭載了多種感測器，包括麥克風、光感測器和溫度感測器。本文將探討這些感測器的工作原理及其在 MicroPython 中的應用。

麥克風的工作原理

麥克風是一種將聲波轉換為電訊號的裝置。在 Circuit Playground Express 上，麥克風的工作原理類別似於加速計：當聲波引起空氣壓力變化時，裝置中的薄膜會振動，進而改變薄膜與固定板之間的電容。這個變化被轉換為電流，最終成為數位訊號。

光感測器的工作原理

光感測器的工作原理與 LED 相反。當 LED 發光時，是因為電流透過它。然而，如果光線照射到 LED 上，它會產生反向電流。micro:bit 利用這個特性來檢測光線。Circuit Playground Express 則使用光電晶體來檢測光線，光電晶體是一種專門用於檢測光線的元件，將光能轉換為電流。

溫度感測器的工作原理

溫度感測器使用熱敏電阻，其電阻值會隨著溫度變化而改變。Circuit Playground Express 的溫度感測器就是根據這種原理。此外，許多晶片，包括執行 MicroPython 的微控制器，都具有內建的熱二極體，用於監控晶片的溫度。熱二極體的電壓會隨著溫度變化，從而實作溫度測量。

使用麥克風錄音

以下範例展示瞭如何使用 Circuit Playground Express 上的麥克風錄製短片段音訊：

import neopixel
import audiobusio
import digitalio
import audioio
import time
from board import *

def countdown(np):
    """ 使用 NeoPixels 顯示倒數計時 """
    np.fill((0, 0, 0))
    np.write()
    for i in range(10):
        np[i] = (0, 20, 0)
        np.write()
        time.sleep(0.5)
    np.fill((0, 128, 0))
    np.write()

def record():
    """ 傳回錄製的音訊緩衝區 """
    buf = bytearray(8000)
    with audiobusio.PDMIn(MICROPHONE_CLOCK, MICROPHONE_DATA) as mic:
        mic.record(buf, len(buf))
    return buf

def play(buf, freq):
    """
    以指定頻率播放音訊緩衝區
    """
    speaker_enable = digitalio.DigitalInOut(SPEAKER_ENABLE)
    speaker_enable.switch_to_output(value=True)
    with audioio.AudioOut(SPEAKER, buf) as speaker:
        speaker.frequency = freq
        speaker.play()
        while speaker.playing:
            pass

neopixels = neopixel.NeoPixel(NEOPIXEL, 10, auto_write=False)
button_a = digitalio.DigitalInOut(BUTTON_A)
button_a.pull = digitalio.Pull.DOWN
button_b = digitalio.DigitalInOut(BUTTON_B)
button_b.pull = digitalio.Pull.DOWN

countdown(neopixels)
audio_buffer = record()
neopixels.fill((0, 0, 0))
neopixels.write()
freq = 8000  # 預設頻率
if button_a.value:
    freq = 12000  # 按下按鈕 A 時的頻率
elif button_b.value:
    freq = 6000  # 按下按鈕 B 時的頻率
play(audio_buffer, freq)

程式碼解析：

1. countdown函式：使用 NeoPixels 顯示倒數計時，準備開始錄音。
2. record函式：建立一個 bytearray 緩衝區，使用 PDMIn 類別從麥克風錄製音訊資料。
   • PDMIn類別：使用脈衝密度調變（PDM）將類別比訊號表示為二進位資料。
   • record方法：將錄製的音訊資料填入緩衝區。
3. play函式：以指定的頻率播放錄製的音訊。
   • 設定喇叭輸出，並使用 AudioOut 類別播放音訊緩衝區。
   • speaker.frequency屬性：控制播放頻率，從而改變音調。

光感測器和溫度感測器的使用

光感測器和溫度感測器都是類別比輸入裝置，其讀取值反映了檢測到的光強度和溫度變化。以下是在 REPL 中使用光感測器的範例：

>>> import analogio
>>> from board import *
>>> light = analogio.AnalogIn(LIGHT)
>>> light.value  # 在黑暗環境中的讀取值

程式碼解析：

• analogio.AnalogIn：初始化一個類別比輸入物件，用於讀取光感測器的值。
• light.value：取得當前光感測器的讀取值，該值與檢測到的光強度成正比。