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壓力感應器原理及偵測 |
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ADC(Analog To Digital)的介紹 |
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類比數位轉換 |
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類比訊號經由IC的AI(Analog Input)腳位輸入至IC內，會經由ADC(Analog To Digital Converter)將類比訊號轉換為數位的數值，使程式能夠讀取，並且能夠用來在程式中進一步運算或是換算為需要的輸出。 |
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類比數位轉換的例子 |
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例如，讀取的溫度感測器的類比訊號後，在程式中轉換為實際溫度的數值，再從七段顯示器上顯示出來，我們才能直覺地知道溫度感測器偵測到的溫度是多少。 |
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類比數位轉換的數值對應關係 |
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輸入的類比信號的電壓，經過ADC轉換後的數值，將會是如下圖表示的對應關係。在程式中讀取到的AI數值，也就是ADC的轉換值。 |
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下圖以一個二元一次直線方程式的函數圖形，來表示輸入的類比信號的電壓與ADC轉換後的數值的對應關係。 |
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在程式中，我們可以將讀取到的ADC數值經過這個方程式的轉換，得到電壓的數值，由此程式中便能夠知道AI讀取的電壓。 |
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薄膜式壓力感測器介紹 |
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薄膜式壓力感測器受到壓力時，會改變兩個接點之間的電阻值，我們可以利用電阻的改變，以簡單的分壓電路來製造出電壓的變化，另IC能夠以AI的方式讀取到電壓的改變，藉此間接地偵測到壓力的變化。 |
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壓力感測電路原理 |
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薄膜式壓力感測器受到壓力時，會改變兩個接點之間的電阻值，在電路當中我們將薄膜式壓力感測器式同為一個可變電阻，將這個可變電阻安裝在分壓電路中，當可變電阻阻值變化時，就能夠製造出電壓的變化。 |
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分壓電路的運作原理，可參考克西荷夫分壓定律。 |
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下圖說明了薄膜式壓力感測器的電阻變化時，經過分壓電路產生的電壓變化情形 |
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請注意電壓將會在一個變化區間之中，後續的程式中我們將會使用到變化區間的最大值與最小值。 |
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Micro:Bit線路組裝 |
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Micro:Bit偵測電路介紹 |
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彈射座使用一組壓力感測器線材，將壓力感測器連接至Micro:Bit的AI腳位上。 |
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Micro:Bit壓力感測線路圖 |
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將裸露的電線部分捲成圓圈狀 |
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將電線鎖接在Micro:Bit |
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組裝完成的壓力感測電路 |
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使用方程式來編寫程式 |
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使用方程式的概念 |
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在彈射座的壓力偵測程式中，我們將使用到將偵測的ADC類比訊號值進行分級顯示的功能，我們將偵測有效區間值分為0~9級，以函數圖形表示如下: |
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此函數可以二元一次方程式來計算，我們可以將方程式修改如下: |
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依照這個方程式的計算，我們就可以代入adc的值換算為Grade分級值。 |
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在程式的世界中，使用了許多許多各種方程式來解決各種問題，也發展了許多許多數學的方法或是應用數學的演算法，來簡化複雜的計算或是判斷，使其最終能夠以程式的方式進行運算並且得到我們需要的結果，數學及方程式在程式的世界中佔有極為重要且不可取代的角色。 |
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使用方程式的優點 |
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1. 簡化計算的程式碼 |
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參考下面的對照範例，使用方程式判斷分級僅需要一行程式碼，而使用if-else判斷分級則需要十數行程式碼。 |
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2. 能夠快速改變設定值 |
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使用方程式判斷分級能夠將必要的參數變成變數，成為變數的好處在於能夠快速地修改關鍵的變數，更進一步能夠以使用者介面或通訊修改參數，使程式或是裝置具備更大的使用彈性。 |
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3. 容易進行程式的修改，並且減少程式修改時的錯誤 |
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參考下面的對照範例，使用方程式判斷分級僅需要修改兩個變數，而使用if-else判斷分級則需要修改十行程式碼中的數值，容易造成修改時的錯誤。 |
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4. 減少處理器運算的次數 |
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能夠增快程式執行的時間，或能夠使用成本較低的處理器進行運算，能夠節省成本。 |
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5. 減少記憶體的使用量 |
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能夠使用成本較低的處理器進行運算，能夠節省成本。 |
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平均值濾波器 |
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甚麼是濾波器 |
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實務上，類比訊號都會因為電壓的穩定度不足，造成漣波，還有各種外界的干擾造成許多不穩定的狀況，一般稱之為雜訊。 |
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由於漣波及雜訊的問題，造成讀取到的ADC數值不穩定，數值以很快的速度跳動，最終使顯示出來的值因為不停的改變而難以被人們辨認，通常就以濾波器的方法來解決這些漣波及雜訊造成的不穩定狀況，使最終顯示出來的結果能夠容易被人們辨認。 |
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濾波器有以電路，如電容、各種濾波電路的方式製成，也有以程式來製作一個濾波器演算法的方式，這裡將介紹一種應用最廣泛、也最簡單的濾波器演算法-平均值濾波器。 |
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平均值濾波器介紹 |
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平均值濾波器也常被稱為算數平均濾波法，方法為連續取N個ADC取樣值進行算術平均運算。 |
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平均值濾波器的特性 |
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平均值濾波器的特性 |
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N值較大時，計算出來的結果值平滑度較高，但靈敏度較低。 |
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N值較小時：計算出來的結果值平滑度較低，但靈敏度較高。 |
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所以根據我們需求的平滑度及靈敏度，我們需要在程式中設定好N值大小，讓輸出的反應較為適當。 |
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平均值濾波器的優缺點比較: |
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缺點 |
- 適用於對一般為隨機干擾的信號進行濾波。
- 具有一個平均值，信號在某一數值範圍附近上下波動，不因特殊狀況出現突波。
- 調整參數至適當反應的狀態相當容易。
- 程式碼簡單，容易編寫。
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- 對於測量速度較慢、或要求數據計算速度較快的實時控制較不適用。
- 需要較大的記憶體(RAM)，在成本極精簡的MPU/MCU上無法使用。
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程式實作 |
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壓力偵測測試程式 |
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範例程式 : Program \pressure_test.py |
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1. 在Button A按下的動作時，讀取壓力偵測的ADC類比信號值，並且使用LED矩陣顯示ADC類比信號值。 |
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2. 以此程式測試確認壓力偵測實際使用的ADC類比信號值區間，讓後續的程式能夠使用適當的偵測區間進行分級。 |
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3. 沒有壓力時，按下Button A，紀錄顯示的ADC類比信號值為最小區間值。 |
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4. 最大壓力力時，按下Button A，紀錄顯示的ADC類比信號值為最大區間值。 |
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Level-1程式說明 |
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範例程式 : Program\level_1.py |
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1. 將壓力偵測的ADC類比信號值，分為0~9等級，以方便LED矩陣顯示即時的壓力變化 |
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2. 將max_adc變數設為最大區間值。 |
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3. 將min_adc變數設為最小區間值。 |
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4. 壓力偵測的ADC類比信號值小於低於最小的ADC區間值時，顯示悲傷圖形。 |
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5. 壓力偵測的ADC類比信號值大於等於低於最大的ADC區間值時，顯示笑臉圖形。 |
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6. 顯示結束時，暫停200ms以降低顯示速度，以利讀取分級值。 |
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Level-2程式說明 |
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範例程式 : Program\level_2.py |
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1. 改進壓力偵測的ADC類比信號值分級的程式，以二元一次直線方程式計算的方式計算分級值。 |
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Level-3程式說明 |
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範例程式 : Program\level_3.py |
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1. 使用平均值濾波器改善ADC類比信號值跳動，導致使用者不易確定目前壓力級數的問題，以改善使用者的操作經驗。 |
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2. 取消暫停200ms之動作，觀察顯示分級值的反應速度及平滑效果，並調整緩衝區取樣的總數至最佳效果。 |
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