《无线电》
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创客三级跳-制作延时启动电源
2015-08-25 08:59:28吴俊杰
把arduino当作一个电源使用吗？是不是有一些暴殄天物？但是如果从模块可重用的角度来看又何妨呢？今天它是一个智能电源，明天它也可以是一个信号发生器，总之，可以随意改换功能的可编程电路，使我们的世界能够少生产一些电子垃圾，让这个世界变得更加美好。
原理
相比于一个开关串联一个发光二极管这种控制，延时控制是一个必须要使用逻辑电路的功能，而这也就解释了我们为什么要使用程序。如何设计一个延时电源呢？s4a软件通过联机调试模式可以更方便地让我们了解到这一点。烧写s4a的固件以后，找到端口号，然后会看到图1所示的串口状态的面板，在数字13号端口插一个暖色调的一针一孔的暖色调排线作电源的正极，在12号端口插一个冷色调排线作为电池的负极，在正极和负极直接插一个发光二极管，启动程序之后，我们可以看到发光二极管延时1s后亮了。
图1 延时电源的工作原理
这是因为“digital 13 off”这个指令相当于将13号端口的电压降到跟arduino的gnd端口相当，而“digital 13 on”则将13号端口的电压升高到跟arduino的5v端口相当，那么在启动程序的时候，将13号端口和12号端口都设为gnd（负极），然后，过1s之后，将13号端口电压升为5v，此时发光二极管自然就亮了。这里需要说明的是，如果将led直接插在上图arduino板下方power处红色点所示的5v黑色点所示的gnd之间，通过这个发光二极管的电流会超过其能够承受的最大电流，发光二极管会烧毁，而现在插led的位置，由于电路板做了电流保护，直接插一个发光二极管是安全的，这就是我们为什么要制作一个延时电源的重要原因了。这种比较小的电流，已经足够用来驱动led、蜂鸣器、小型继电器、手机震动马达这些需要电流不大的设备。
此外如果不希望加延时功能，只是期望将arduino作为一个电源使用，在s4a当中还可以对11号端口和10号端口进行设置，当arduino通电时11号端口自动充当电池正极，10号端口自动充当电池负极。这样只需要将供电一方的电源换成一个手机充电器，就可以安全放心地使用这个arduino安全延时电源了。
图2添加非延时电源功能
原型
在这里面，有一个非常自然的改进需求，就是期望能够调整延时时间，最常用的是电位器，也就是我们通常所说的旋钮。电位器的原理和滑动变阻器的原理一致，旋转中间的划片，改变的是其相对于整个电阻的位置，如图3所示，电位器的两端接5v和gnd，中间接arduino的a0端口，根据通用的布线的颜色规范，选择红色、黑色和蓝色的一针一孔排线来完成电路的连接。
图3 连接电位器
旋转电位器的旋钮，我们会发现旋钮旋转到一端，a0的数值为0，另一端数值为1023，如果我们直接将a0数值设定为延时时间，我们会发现旋转到不同角度时，延时时间不同。如图4所示，最小为0s，最大为1023s。
图4 简单的延时控制
但是如果我们从实际生活的角度来看这个延时调节旋钮，会发现它不太方便使用，比如这个延时电源的主要用途有两个，给自己3min时间做一个眼保健操，和一天之后的同一时间启动电源来制造一个惊喜，那么a0数值0对应的则是180s，1023对应的是24×60×60s=86400s，这样就需要建立一个函数来描述这种对应关系了。我们用一次函数的运算公式就可以找到这个对用关系。
其中a表示a0的数值，t表示需要延时的时间，如图5所示，改进后的延时电源增加了一个变量t，在一开始的时候告诉用户延时电源将在多少秒以后启动。
图5 改进后的延时电源
如果用户希望用户体验更好，可以在软件界面当中增加询问时间范围的功能。
产品
完成了上面的调试工作，我们便可以将延时电源制作成一个比较稳定的产品了，这需要将程序下载到下位机，使用arduino的图形化编程插件ardublock可以很方便地实现这个功能，只需要将上面的算法移植到ardublock当中即可。如图6所示，使用串口监视器可以查看每次延时的时间。
图6 串口监视器查看延时时间
由于函数涉及到小数点的运算，因此设定延迟时间的变量time的类型为实数型。至此，我们就完成了一个可以随意设定延时时间的电源，在设计上，还可以给这个电源加上盒子，设计一个旋钮的面板来表示0.5h、8h等不同的延时效果，从精度上来看，这个延时电源的调节最小精度为（86400-180）/1023s，大概是1.5min的时间，但是在实际的使用过程中往往达不到这个精度，工程项目就是在不停的妥协中追求最优的结果，可能这正是我们不懈追求的动力吧。