這次將為大家介紹一個(gè)使用Arduino制作的獨(dú)特電子作品，將會(huì)分【前篇】和【后篇】?jī)刹糠诌M(jìn)行介紹。為我們介紹這個(gè)非常有趣的電子制作項(xiàng)目的是平原真先生，他是一位以事物之間的關(guān)系為主題進(jìn)行探索的藝術(shù)家。平原先生同時(shí)也是大阪藝術(shù)大學(xué)的副教授，迄今為止，他使用計(jì)算機(jī)和電子器件制作了很多媒體藝術(shù)作品。在Device Plus上，平原先生也發(fā)表了一些極具意義的電子作品，例如“用Arduino制作的太陽(yáng)能電池板供電數(shù)字生態(tài)箱”和“用Arduino和TOF距離傳感器制作甜甜圈播放器”。下面，讓我們來(lái)看看這次會(huì)是什么樣作品。

前言

大家好！我叫平原。這個(gè)問(wèn)題可能有點(diǎn)突然：您有沒(méi)有玩過(guò)巨大的迷宮？這通常是一種景點(diǎn)，玩家進(jìn)入一個(gè)由比人高的墻壁組成的迷宮，通過(guò)克服旋轉(zhuǎn)門和岔路等重重關(guān)卡，最后到達(dá)終點(diǎn)。這種游戲在1980年代風(fēng)靡日本全國(guó)，但現(xiàn)在貌似只剩下屈指可數(shù)的幾處了。我在小時(shí)候曾經(jīng)玩過(guò)，當(dāng)時(shí)曾經(jīng)想：“要是能從天上往下看就好了！”

這次我想制作一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的童年夢(mèng)想的作品。希望制作出一個(gè)當(dāng)實(shí)物迷宮傾斜時(shí)，屏幕中的迷宮也會(huì)傾斜并且小球會(huì)滾動(dòng)的裝置，玩家需要交互確認(rèn)和比較實(shí)物迷宮和屏幕中的迷宮才能到達(dá)終點(diǎn)！

本項(xiàng)目的組成

本項(xiàng)目共分為六個(gè)部分：

作品規(guī)劃和制作準(zhǔn)備

電子電路

Arduino程序

制作迷宮外殼

創(chuàng)建迷宮的3D模型

Unity程序

本文是前篇，將介紹1到3的內(nèi)容，最后我們會(huì)測(cè)試電子電路的工作情況。在后篇中，我們將使用激光加工機(jī)制作迷宮外殼，并使用Unity完成3D迷宮游戲。

１. 作品規(guī)劃和制作準(zhǔn)備

整體規(guī)劃

在這項(xiàng)作品中，如果您傾斜實(shí)物迷宮，屏幕中的迷宮也會(huì)傾斜，里面的小球也會(huì)隨之滾動(dòng)。這個(gè)項(xiàng)目的亮點(diǎn)在于，通過(guò)實(shí)物迷宮可以看到整個(gè)迷宮，但無(wú)法知道小球的位置，在屏幕上只能看到小球周圍的區(qū)域，所以必須交互確認(rèn)實(shí)物迷宮和屏幕中的迷宮。

盒子里面是包括用來(lái)檢測(cè)傾斜的加速度傳感器和微控制器開發(fā)板Arduino UNO，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接到電腦。當(dāng)您傾斜盒子時(shí)，傾斜數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送到名為“Unity”的軟件，該軟件用來(lái)在電腦上顯示運(yùn)行的3D迷宮。Unity根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)傾斜3D迷宮，小球會(huì)根據(jù)物理運(yùn)算滾動(dòng)。

另外，我還希望實(shí)現(xiàn)更換實(shí)物迷宮后3D迷宮也隨之切換這一目標(biāo)，這樣可以使游戲更加富有妙趣。此外，當(dāng)玩家成功到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，還還需要通過(guò)振動(dòng)來(lái)表示一下喜悅之情。

系統(tǒng)構(gòu)成

下面，我們繪制一個(gè)實(shí)現(xiàn)整體規(guī)劃所需設(shè)備的簡(jiǎn)圖，并構(gòu)思整體的設(shè)備構(gòu)成。

首先，需要用加速度傳感器來(lái)讀取傾斜度。然后，還需要用來(lái)讀取迷宮切換情況的反射式光電傳感器和用來(lái)產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)電機(jī)。另外，還需要通過(guò)微控制器開發(fā)板Arduino來(lái)控制這些電子器件并與電腦進(jìn)行通信。用USB數(shù)據(jù)線連接Arduino和電腦，在電腦上運(yùn)行Unity，并與Arduino通信和顯示迷宮。

接下來(lái)，需要根據(jù)電壓、耗電量、所使用的引腳、通信方式、實(shí)物尺寸、作品的炫酷程度等因素，來(lái)選擇具體部件。如果您從主要部件和選項(xiàng)較少的部件開始著手，會(huì)更容易理清思路。

加速度傳感器

加速度傳感器包括將加速度輸出為電壓的模擬類型，以及通過(guò)I2C等進(jìn)行通信的數(shù)字類型。最近，數(shù)字型加速度傳感器已成為主流。這次，我們將使用ROHM的加速度傳感器模塊“KX224-1053”和可以通過(guò)Arduino輕松使用的傳感器擴(kuò)展板“SHIELD-EVK-001”。

羅姆傳感器評(píng)估套件

反射式光電傳感器

反射式光電傳感器是一種照射紅外線并讀取對(duì)象物反射光線的裝置。在這里，我們利用光反射量會(huì)因?qū)ο笪锏念伾兓@一特點(diǎn)，來(lái)讀取迷宮的類型。如果有兩個(gè)反射式光電傳感器，那么就可以分辨出四種迷宮。這次我們將使用常用的“RPR-220”。

振動(dòng)電機(jī)

振動(dòng)電機(jī)是一種通過(guò)使偏心塊旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動(dòng)的裝置，也稱為“偏心電機(jī)”。這次為了簡(jiǎn)化電路，我們將使用工作電壓在2.0v ?3.0v，工作電流在大約50mA、可直接通過(guò)Arduino控制的振動(dòng)電機(jī)。

Serial Port Utility Pro

Unity與Arduino之間的通信僅通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)功能也能實(shí)現(xiàn)，但這次我們將使用名為“Serial Port Utility Pro (SPUP)” 的工具。使用SPUP進(jìn)行通信時(shí)，您可以不必?fù)?dān)心運(yùn)行環(huán)境的差異。這個(gè)工具在資源商店的售價(jià)為79美元，不過(guò)您可以從其官網(wǎng)下載試用版。試用版需要在通信量達(dá)到一定程度時(shí)重新啟動(dòng)Unity。我們可以在開發(fā)過(guò)程中使用試用版，在想長(zhǎng)期使用時(shí)購(gòu)買它。

迷宮外殼結(jié)構(gòu)

根據(jù)整體規(guī)劃和所需功能來(lái)考慮外殼的結(jié)構(gòu)。比較有效率的做法是先手繪草圖，等大框架定好后再用CAD等進(jìn)行設(shè)計(jì)。這次是一個(gè)簡(jiǎn)單的盒子，所以我是用Illustrator設(shè)計(jì)的。

這次要考慮的要點(diǎn)是：適合用雙手拿著的尺寸、可以更換迷宮、可以用反射式光電傳感器讀取迷宮的背面。我決定設(shè)計(jì)成盒狀，將電路收納在盒子中，將迷宮配置在盒蓋上。在盒蓋的背面做黑色和白色標(biāo)記，用反射式光電傳感器來(lái)讀取標(biāo)記。

材質(zhì)采用椴木單板，用激光加工機(jī)切割，用木材專用膠粘合。如果想要看得見內(nèi)部，也可以使用透明的亞克力板。請(qǐng)根據(jù)自己的喜好選擇。

零部件清單

我在下面匯總了要使用的物料，價(jià)格和購(gòu)買網(wǎng)址為截至撰寫本文時(shí)的數(shù)據(jù)。運(yùn)費(fèi)另計(jì)。

分發(fā)文件

創(chuàng)建示例所需的數(shù)據(jù)請(qǐng)從以下鏈接下載。其中包括Arduino程序和用于切割椴木單板的形狀數(shù)據(jù)等。
>> 數(shù)據(jù)下載（50.4MB）

CutBox.ai
外殼盒體部分的激光加工用數(shù)據(jù)

CutMaze.ai
外殼迷宮部分的激光加工用數(shù)據(jù)

ArduinoApp
Arduino用程序

UnityApp
Unity的項(xiàng)目

BreadboadHolder.stl
用來(lái)提高面包板高度的部件

MazeLv1.obj、MazeLv2.obj、MazeLv3-A.obj、MazeLv3-B.obj
迷宮的3D模型

２. 電子電路

布線圖與電路圖

我們需要一邊確認(rèn)電子部件的技術(shù)規(guī)格書一邊設(shè)計(jì)電路。同時(shí)，在考慮實(shí)際物體的大小和位置關(guān)系的同時(shí)，還要考慮布線的長(zhǎng)度等因素。

加速度傳感器模塊可以安裝在傳感器擴(kuò)展板上并固定在Arduino UNO上面，因此布線很簡(jiǎn)單：將反射式光電傳感器和振動(dòng)電機(jī)配置在面包板上。

布線圖

電路圖是表示電氣連接關(guān)系的圖，布線圖是考慮到表示實(shí)際尺寸和位置關(guān)系等因素而繪制的接線圖。在您還不能熟練使用的階段，完全按照布線圖制作更容易一些，但是當(dāng)您習(xí)慣于制作并能夠自己繪制電路或嵌入他人的電路時(shí)，通過(guò)電路圖進(jìn)行思考更容易理解。

電路圖

組裝

下面我們組裝電子電路。這次我沒(méi)有采用焊接的方式，而是用跳線將其連接到面包板上，因此無(wú)需擔(dān)心失敗。在作業(yè)的時(shí)候，請(qǐng)對(duì)照布線圖和照片進(jìn)行。作業(yè)步驟如下：

加速度傳感器模塊和傳感器擴(kuò)展板

反射式光電傳感器

振動(dòng)電機(jī)

布線

步驟1：加速度傳感器模塊和傳感器擴(kuò)展板

傳感器擴(kuò)展板自帶的插座可以安裝共8個(gè)傳感器模塊。加速度傳感器模塊適用“I2C”的通信標(biāo)準(zhǔn)，因此請(qǐng)將其插入標(biāo)有“I2C_1”的插座。請(qǐng)調(diào)整角度，使模塊處于水平狀態(tài)。

接下來(lái)，將傳感器擴(kuò)展板連接到Arduino UNO。請(qǐng)確保所有引腳都牢牢地插入內(nèi)部，以便使加速度傳感器模塊處于水平狀態(tài)。另外，請(qǐng)垂直施加力量，以防止長(zhǎng)引腳彎曲。雖然后續(xù)也可以拔除，但由于長(zhǎng)引腳容易彎曲，所以還請(qǐng)謹(jǐn)慎處理。

步驟2：反射式光電傳感器

反射式光電傳感器有4根引腳。由于4根引腳的長(zhǎng)度不同，所以請(qǐng)按照最短的引腳切齊。用鉗子切斷時(shí)，切除掉的余腳的可能會(huì)飛濺，請(qǐng)注意防護(hù)。

將電阻器從根部彎曲成直角，并在距離根部約1厘米處切割。

接下來(lái)，請(qǐng)參考布線圖將其插入面包板。注意反射式光電傳感器按45度切割時(shí)的角度位置。如果切角在右上方，則反射式光電傳感器的左半部分是紅外LED，右半部分是光電晶體管。紅外LED側(cè)（左側(cè)）的電阻為 150Ω，光電晶體管側(cè)（右側(cè)）的電阻為10kΩ。由于電阻器沒(méi)有極性，因此它的朝向無(wú)所謂。跳線如果使用硬跳線，布局效果會(huì)給人清爽的感覺(jué)。跳線的顏色可以是任意顏色，但為了使布線圖清晰易懂，通常電源（5V）用紅色，地線（GND）用黑色。

步驟3：振動(dòng)電機(jī)

將振動(dòng)電機(jī)的引出線皮膜剝?nèi)ゼs1厘米，然后將其插入面包板。如果導(dǎo)線很細(xì)而且難以插入，請(qǐng)將電阻引腳切掉的部分焊接到引出線上。用兩面膠將振動(dòng)電機(jī)牢固地固定在面包板上。這個(gè)振動(dòng)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3V，標(biāo)準(zhǔn)電流是55mA，電源是來(lái)自Arduino的5V電源，所以按照（5v-3v）/0.055A=36.4Ω，使用的電阻是39Ω。

步驟4：布線

用跳線連接配置在Arduino UNO上的傳感器擴(kuò)展板與面包板。如果在您將其放入盒子里時(shí)跳線造成干涉，將端部的引腳彎曲90度就可以整齊地收納在盒子里面了。

３. Arduino程序

現(xiàn)在讓我們看一下Arduino程序。這次的項(xiàng)目需要以下四個(gè)功能：

從加速度傳感器模塊讀取值

讀取反射式光電傳感器的值

通過(guò)串行通信發(fā)送讀取到的傳感器值

接收和處理來(lái)自Unity的命令

在對(duì)每一個(gè)功能進(jìn)行解說(shuō)后，將會(huì)給出整個(gè)程序。

從加速度傳感器模塊讀取值

為了與加速度傳感器模塊“KX224-1053”進(jìn)行通信，需要使用專用的庫(kù)。首先，請(qǐng)從產(chǎn)品介紹頁(yè)面的軟件部分下載ZIP文件。然后，從Arduino IDE菜單中選擇 [Sketch] > [Include Library] > [Add .ZIP Library]，并選擇下載的ZIP文件。

另外，您也可以從這個(gè)頁(yè)面下載產(chǎn)品手冊(cè)供參考。

>>加速度傳感器模塊產(chǎn)品介紹

在Arduino程序中，首先加載I2C庫(kù)和加速度傳感器模塊的庫(kù)。
然后創(chuàng)建KX224類的對(duì)象（Object）?？梢詮脑搶?duì)象讀取加速度傳感器的值。

#include //I2C庫(kù)
#include //加速度傳感器庫(kù)
KX224 kx224(KX224_DEVICE_ADDRESS_1E);//創(chuàng)建加速度傳感器的對(duì)象

在setup函數(shù)中，啟動(dòng)I2C庫(kù)并初始化KX224對(duì)象，如果失敗，則通過(guò)串行通信發(fā)送消息。。

byte rc;//啟動(dòng)檢查變量
Wire.begin();//I2C庫(kù)啟動(dòng)

rc = kx224.init();//加速度傳感器對(duì)象的初始化
if (rc != 0) {//加速度傳感器對(duì)象的啟動(dòng)檢測(cè)
  Serial.println(F("KX224 initialization failed"));
  Serial.flush();
}

當(dāng)將float數(shù)組傳遞給KX224對(duì)象的get_val函數(shù)時(shí)，傳感器的值將會(huì)輸入。如果返回值為0，則讀取成功。

byte rc;//用于確認(rèn)傳感器讀數(shù)。
float acc[3];//
rc = kx224.get_val(acc);//將加速度代入acc，如果可以讀取則返回 0。

讀取反射式光電傳感器的值

將反射式光電傳感器連接到引腳A0和A1并通過(guò)analogRead函數(shù)讀取。盒子背面的標(biāo)記是白色和黑色的，通過(guò)Unity軟件更改模擬讀取閾值。

int photoRef1 = analogRead(A0);//讀取反射式光電傳感器
int photoRef2 = analogRead(A1);

通過(guò)串行通信發(fā)送讀取到的傳感器值

將加速度傳感器的三個(gè)值和兩個(gè)反射式光電傳感器的值用逗號(hào)分隔并作為字符串發(fā)送。最后，發(fā)送換行代碼。Unity將接收到的字符串以逗號(hào)分隔并返回到數(shù)組中使用。

Serial.print(acc[0]);//X軸
Serial.print(",");
Serial.print(acc[1]);//Y軸
Serial.print(",");
Serial.print(acc[2]);//Z軸
Serial.print(",");
Serial.print(photoRef1);//反射式光電傳感器1
Serial.print(",");
Serial.print(photoRef2);//反射式光電傳感器2
Serial.println("");

接收和處理來(lái)自Unity的命令

當(dāng)來(lái)自Unity的命令發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí)，將執(zhí)行串行通信接收事件。連接接收到的字符串，當(dāng)收到換行代碼時(shí)，將接收完成標(biāo)志設(shè)置為True。

void serialEvent() {//接收到串行通信的事件
  while (Serial.available()) {
    char inChar = (char)Serial.read();    // 將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串
    inputString += inChar;    // 添加到inputString
    if (inChar == 'n') {// 當(dāng)接收到換行代碼時(shí)，設(shè)置接收完成標(biāo)志。
      stringComplete = true;
    }
  }
}

檢查loop函數(shù)中的接收完成標(biāo)志，如果為True，則檢查命令的內(nèi)容并進(jìn)行相應(yīng)的處理。在這次的項(xiàng)目中，當(dāng)字符串是“start”時(shí)，振動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)字符串是“stop”時(shí)，則電機(jī)停止。

if (stringComplete) {//設(shè)置了接收完成標(biāo)志時(shí)的處理
  String is = inputString;//復(fù)制接收到的字符串
  is.trim();//刪除換行代碼

  if ( is.equals("start") ) //當(dāng)收到start 時(shí)
  {
    digitalWrite(2, HIGH);//使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
  }

  if ( is.equals("stop") ) //當(dāng)接收到stop時(shí)
  {
    digitalWrite(2, LOW);//使電機(jī)停止
  }

  inputString = "";//清除接收到的字符串
  stringComplete = false;//清除接收到的標(biāo)志
}

整體草圖

請(qǐng)?jiān)贏rduino IDE中輸入以下源代碼并將其寫入Arduino UNO

#include ///I2C庫(kù)
#include //加速度傳感器庫(kù)
KX224 kx224(KX224_DEVICE_ADDRESS_1E);//創(chuàng)建加速度傳感器的對(duì)象

String inputString = "";//保存接收數(shù)據(jù)的變量
bool stringComplete = false;  //判斷接收是否完成的標(biāo)志


void setup() {
  byte rc;

  Serial.begin(57600);//串行通信開始
  while (!Serial);

  Wire.begin();//I2C庫(kù)啟動(dòng)

  rc = kx224.init();//加速度傳感器對(duì)象的初始化
  if (rc != 0) {//加速度傳感器對(duì)象的啟動(dòng)檢測(cè)
    Serial.println(F("KX224 initialization failed"));
    Serial.flush();
  }

  pinMode(2, OUTPUT);
  pinMode(A0, INPUT);
  pinMode(A1, INPUT);
}


void loop() {

  // ============================================
  // 加速度傳感器的讀取和發(fā)送
  // ============================================
  byte rc;//用于確認(rèn)傳感器讀數(shù)。
  float acc[3];//

  int photoRef1 = analogRead(A0);//反射式光電傳感器的讀取
  int photoRef2 = analogRead(A1);

  rc = kx224.get_val(acc);//將加速度代入acc，如果可以讀取則返回 0。
  if (rc == 0) {
    Serial.print(acc[0]);//X軸
    Serial.print(",");
    Serial.print(acc[1]);//Y軸
    Serial.print(",");
    Serial.print(acc[2]);//Z軸
    Serial.print(",");
    Serial.print(photoRef1);//反射式光電傳感器1
    Serial.print(",");
    Serial.print(photoRef2);//反射式光電傳感器2
    Serial.println("");
  }


  // ============================================
  // 處理接收到的命令
  // ============================================
  if (stringComplete) {//設(shè)置了接收完成標(biāo)志時(shí)的處理

    String is = inputString;//復(fù)制接收到的字符串
    is.trim();//刪除換行代碼

    if ( is.equals("start") ) //當(dāng)收到start 時(shí)
    {
      digitalWrite(2, HIGH);//使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
    }

    if ( is.equals("stop") ) //當(dāng)接收到stop時(shí)
    {
      digitalWrite(2, LOW);//使電機(jī)停止
    }

    inputString = "";//清除接收到的字符串
    stringComplete = false;//清除接收到的標(biāo)志
  }

  delay(10);
}


// ============================================
// 串行通信的接收
// ============================================
void serialEvent() {//接收到串行通信的事件
  while (Serial.available()) {
    char inChar = (char)Serial.read();    // 將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串
    inputString += inChar;    // 添加到inputString
    if (inChar == 'n') {// 當(dāng)接收到換行代碼時(shí)，設(shè)置接收完成標(biāo)志。
      stringComplete = true;
    }
  }
}

工作測(cè)試

我們已經(jīng)創(chuàng)建了電子電路和Arduino程序，現(xiàn)在讓我們確認(rèn)一下工作情況。用USB數(shù)據(jù)線連接Arduino UNO和電腦后，請(qǐng)打開Arduino IDE的串口監(jiān)視器，將通信速度設(shè)置為57600bps。先會(huì)顯示消息“KX224_WHO_AMI Register Value = 0x2B”，從下一行開始會(huì)出現(xiàn)用逗號(hào)分隔的五個(gè)數(shù)字。

前三個(gè)是加速度傳感器模塊的X、Y、Z值。當(dāng)傳感器模塊水平放置時(shí)，X和Y輸出0，Z輸出1。當(dāng)傳感器模塊傾斜時(shí)，值在-1～1的范圍內(nèi)變化。請(qǐng)傾斜Arduino UNO并確認(rèn)值的變化情況。
后兩個(gè)數(shù)值是反射式光電傳感器得值。當(dāng)附近沒(méi)有任何東西時(shí)，輸出個(gè)位數(shù)的值，當(dāng)物體接近至距離5mm左右時(shí)，該值會(huì)超過(guò)500。請(qǐng)用手指等確認(rèn)實(shí)際的反應(yīng)情況。

接下來(lái)，確認(rèn)接收命令后振動(dòng)電機(jī)是否工作。在串口監(jiān)控器的輸入字段中輸入“start”，然后按回車鍵。如果振動(dòng)電機(jī)工作，則意味著成功了。如果電機(jī)不動(dòng)，請(qǐng)確認(rèn)面包板接線和接收程序命令的位置是否有錯(cuò)誤。然后請(qǐng)鍵入“stop”來(lái)確認(rèn)電機(jī)是否停止。

如果可以確認(rèn)加速度傳感器模塊、反射式光電傳感器、振動(dòng)電機(jī)的工作都沒(méi)問(wèn)題，那么第一部分（前篇）就完成了。大家辛苦了！在后篇中，我們將完成實(shí)物迷宮的制作，并用Unity創(chuàng)建一個(gè)3D迷宮，敬請(qǐng)期待！

本系列連載一覽

前篇：用Arduino和加速度傳感器制作數(shù)字滾球迷宮（本章）
后篇：用Arduino和加速度傳感器制作數(shù)字滾球迷宮

審核編輯黃宇