Lei Feng Fab Academy 2025

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第10周：输出设备 (Output Devices) ​

本文档内容由我向 Claude 3.7 Sonnet 提供课程大纲内容，以及本课程视频会议课程的字幕后，由 AI 提炼生成。

课程概要 ​

本周课程将介绍各种输出设备及其控制方法，为即将到来的机器构建课程做准备。我们将学习如何连接和控制LED、显示屏、电机和各种执行器，以及如何测量它们的功耗。这些知识对于Fab 2.0时代（从购买机器转向制造机器）至关重要。本课程涵盖的主要内容包括：

  1. 电气安全基础知识
  2. 电源管理与供电方式
  3. 电流测量技术
  4. LED控制（单色、RGB和阵列）
  5. 显示屏（LCD、OLED、TFT）
  6. 电机控制（直流电机、伺服电机、步进电机、无刷电机）
  7. 其他执行器（扬声器、继电器、人造肌肉等）

详细的课程内容介绍 ​

1. 电气安全 ​

电气安全是处理输出设备时的首要考虑因素，特别是当我们开始使用更高电压和电流时：

  • 电流对人体的影响：
    • ~1 mA：安全范围
    • ~10 mA：会感到电击，肌肉收缩
    • ~100 mA：可能导致心脏纤颤，致命
  • 人体电阻：
    • 外部皮肤：兆欧级别
    • 内部组织：千欧级别
  • 绝缘击穿：大约每毫米1千伏
  • 安全注意事项：
    • 电源电容可能存储电量很长时间，需要安全放电
    • 感应反向电动势（如电机中）可产生高电压
    • 极性保护（二极管、MOSFET）
    • 电平转换（使用MOSFET）
    • 连接器极性设计
    • 电路保护元件的使用

处理电力电子设备的安全建议：不要在疲劳时单独工作；保持工作区整洁；心态平静专注；做好随时断电的准备。

参考链接：电气安全基础

2. 电源管理 ​

为输出设备提供足够的电力是关键，有多种供电方式可供选择：

USB供电 ​

  • USB PD（Power Delivery）：允许USB提供更高电压和电流
  • USB QC（Quick Charge）：比USB PD更容易实现的专有协议
  • 可使用USB电源适配器、集线器和电池组
  • USB电源模块和电表可用于监控

电源类型 ​

  • 开关电源：高效但可能噪声大
  • 线性电源：噪声小但效率较低
  • 台式电源：可调节电压和电流，适合测试

电池 ​

  • 锂聚合物电池（LiPo）：
    • 高能量密度，广泛使用
    • 需要专用充电控制器
    • 存在火灾风险，应妥善储存

无线电源 ​

  • 通过磁场在短距离内传输能量
  • 在长距离上传输功率较低

参考链接：

3. 电流测量技术 ​

了解输出设备的功耗对于选择合适的电源至关重要，有几种方法可以测量电流：

  1. 使用台式电源：直接读取电流表显示
  2. 感测电阻法：在电路中串联一个小电阻（如1欧姆），测量其两端电压降
  3. 磁场传感：测量导线周围的磁场强度
  4. 电感检测：对于交流负载，可以使用线圈感应变化的磁场

4. LED控制 ​

4.1 基本LED控制 ​

  • LED需要限流电阻（计算方法：(电源电压-LED压降)/所需电流）
  • 可以使用Arduino或MicroPython控制
  • 示例代码（MicroPython）：
python
from machine import Pinimport timeled = Pin(2, Pin.OUT)  # 使用GPIO 2连接LEDwhile True:    led.value(1)  # 打开LED    time.sleep(0.5)    led.value(0)  # 关闭LED    time.sleep(0.5)

4.2 PWM控制LED亮度 ​

PWM（脉冲宽度调制）是控制LED亮度的重要技术：

  • 通过快速开关LED（使用高低脉冲）来控制亮度
  • 人眼会将快速闪烁感知为不同亮度
  • 占空比决定亮度（高占空比=亮，低占空比=暗）

示例代码（MicroPython）：

python
from machine import Pin, PWM
import time

pwm = PWM(Pin(2))  # 在GPIO 2上创建PWM对象
pwm.freq(1000)     # 设置频率为1000Hz

# 渐变效果
while True:
    # 逐渐变亮
    for duty in range(0, 65535, 1024):
        pwm.duty_u16(duty)
        time.sleep(0.01)
    # 逐渐变暗
    for duty in range(65535, 0, -1024):
        pwm.duty_u16(duty)
        time.sleep(0.01)

4.3 Charlieplexing（查理多路复用） ​

Charlieplexing是一种使用较少引脚控制多个LED的技术：

  • 利用三态逻辑（高、低、高阻）
  • 用n个引脚可以控制n(n-1)个LED
  • 每个引脚既可以作为行也可以作为列

工作原理：

  • 每次只点亮一个LED
  • 通过快速切换，人眼感知为所有LED同时亮起
  • 三种引脚状态：输出高、输出低、高阻态（输入模式）

示例应用：LED矩阵、条形图、指示器

4.4 RGB LED控制 ​

RGB LED包含红、绿、蓝三个LED，可以混合产生各种颜色：

  • 可以是共阳极或共阴极类型
  • 通过分别控制三个LED的亮度来混合颜色
  • 蓝色LED通常效率较低，需要不同的限流电阻

4.5 高功率LED驱动 ​

对于高功率LED：

  • 处理器引脚无法直接提供足够电流（通常限制在20-50mA）
  • 使用MOSFET作为开关元件
  • N沟道MOSFET用于低端开关，P沟道MOSFET用于高端开关
  • 可以将多个LED串联（总压降接近电源电压）以减少需要的限流电阻
  • 并联多组串联LED以增加总体亮度

5. 显示屏 ​

5.1 LCD显示屏 ​

液晶显示器（LCD）的基本使用：

  • 常见HD44780控制器
  • 可使用并行或I2C通信（I2C需要额外适配器芯片如PCF8574）
  • 需要注意I2C需要上拉电阻（通常为1-10kΩ）

5.2 OLED显示屏 ​

有机发光二极管（OLED）显示器：

  • 常用SSD1306控制器
  • 可通过I2C或SPI通信
  • 比LCD更亮、对比度更好、更低功耗
  • 常见分辨率为128×64像素

MicroPython示例代码：

python
from machine import Pin, I2C
import ssd1306

# 创建I2C对象
i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(21))

# 创建OLED对象
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

# 显示文本
oled.text("Hello World!", 0, 0)
oled.show()

# 绘制图形
oled.rect(10, 20, 30, 30, 1)  # 矩形
oled.show()

5.3 TFT显示屏 ​

薄膜晶体管（TFT）显示器：

  • 常用控制器包括ILI9341、ST7735等
  • 通过SPI通信
  • 支持全彩色显示，分辨率更高
  • 适用于需要显示更复杂图形和UI的场景

5.4 电子墨水显示屏（E Ink） ​

  • 非易失性（断电仍保持显示内容）
  • 刷新率较低
  • 极低功耗，适合电池供电设备
  • 在强光下可读性好

6. 电机控制 ​

6.1 直流电机（DC Motor） ​

直流电机基础：

  • 需要H桥驱动以实现正反向控制
  • H桥基本原理：四个开关（通常为MOSFET）组成的电路
  • 可以使用集成H桥芯片（如DRV8251A、TB67H451、A4950等）

H桥操作模式：

  • 正向：左上和右下开关闭合
  • 反向：右上和左下开关闭合
  • 制动：上两个或下两个同时闭合
  • 滑行：所有开关断开

使用集成H桥芯片的优势：

  • 内置电荷泵（生成高电压开关信号）
  • 具有比较器（用于硬件PWM）
  • 内置保护功能（过流、过热保护）

注意事项：

  • 电源去耦（使用不同容值的电容）
  • 使用粗电路走线以处理大电流
  • 热设计（散热）

6.2 扬声器控制 ​

扬声器可以视为特殊的电机，也可以使用H桥驱动：

  • 使用PWM产生音调
  • 波表合成（Wavetable Synthesis）可以产生更复杂的声音
  • 可以播放预录音频样本

代码示例（音调生成）：

python
from machine import Pin, PWM
import time

speaker = PWM(Pin(15))
speaker.freq(440)  # 设置频率为440Hz（A音）
speaker.duty_u16(32767)  # 50%占空比

time.sleep(1)  # 播放1秒
speaker.duty_u16(0)  # 停止声音

6.3 伺服电机（Servo Motor） ​

伺服电机控制：

  • 标准伺服使用50Hz PWM信号
  • 脉冲宽度通常在1-2ms之间
  • 1ms = 0度，2ms = 180度（具体值取决于伺服型号）
  • 连续旋转伺服可以用作轮子（脉冲宽度控制方向和速度）

代码示例：

python
from machine import Pin, PWM
import time

servo = PWM(Pin(15))
servo.freq(50)  # 伺服标准频率为50Hz

# 转到0度
servo.duty_ns(1000000)  # 1ms脉冲
time.sleep(1)

# 转到90度
servo.duty_ns(1500000)  # 1.5ms脉冲
time.sleep(1)

# 转到180度
servo.duty_ns(2000000)  # 2ms脉冲

6.4 无刷直流电机（BLDC） ​

无刷电机的优势与控制：

  • 更高效率、更低噪音、更长寿命
  • 通常有三相绕组
  • 需要三个半桥驱动（或三相H桥）
  • 常用电子调速器（ESC）来控制
  • ESC接受与伺服相同的PWM信号

无刷电机的种类：

  • 内转子（Inrunner）
  • 外转子（Outrunner）
  • 盘式（Pancake）
  • 云台电机（Gimbal）

6.5 步进电机（Stepper Motor） ​

步进电机控制：

  • 典型步进角为1.8度（200步/圈）
  • 需要两个H桥或专用步进驱动器
  • 支持全步、半步和微步进
  • 步进/方向接口简化控制

驱动器选项：

  • 使用两个H桥（如DRV8251A）
  • 专用步进电机驱动器（如DRV8428）
  • 商业驱动模块（如Trinamic、Pololu产品）

微步进的优势：

  • 更平滑的运动
  • 更低的噪音
  • 更高的精度

7. 其他执行器 ​

7.1 固态继电器 ​

用于控制交流负载：

  • 通过光耦合器实现电气隔离
  • 切换高压端（热端）以确保安全
  • 可用于控制家用电器、加热元件等

7.2 人造肌肉与软执行器 ​

创新的执行器技术：

  • 形状记忆合金（SMA）
  • 使用钓鱼线制作的人造肌肉
  • 压电材料
  • 软机器人执行器
  • 气动/液压系统

这些技术可以提供独特的运动特性，适用于需要模仿自然运动的应用。

作业要求 ​

小组作业 ​

测量输出设备的功耗：

  1. 选择一个输出设备（LED、显示屏、电机等）
  2. 使用适当的方法测量其功耗（USB电源计、感测电阻、电源显示等）
  3. 记录不同操作条件下的功耗变化（如不同速度的电机、不同亮度的LED）
  4. 分析结果并讨论对系统设计的影响

个人作业 ​

将输出设备添加到你设计的微控制器板上，并编程使其工作：

  1. 选择一个与你最终项目相关的输出设备
  2. 将其正确连接到你之前设计的微控制器板上
  3. 编写程序控制该设备
  4. 记录过程并展示结果（包括电路设计、代码和演示视频）

学习资源 ​

电气安全 ​

电源管理 ​

LED控制 ​

显示屏 ​

电机控制 ​

创新执行器 ​

推荐实例项目 ​