2022年8月26日 星期五

[micro:bit, touch] 小彼特 V2 版三大新板載功能原理解說:觸控(touch)

小彼特 V2 版三大新板載功能原理解說:觸控(touch)

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Aug. 26, 2022
[1]

2020 年 10 月,小彼特教育基金會(Micro:bit Educational Foundation)(https://microbit.org)發行了 V2 版的新版硬體,V2 只比 V1 小幅度地增加了三項主要的板載(on board)功能(https://reurl.cc/AOM1rd)商標觸控(logo touch)麥克風(microphone)蜂鳴器(buzzer)
看熱鬧也要看門道,曹齊平老師說:


「基礎」知識的學習應該是了解底層最共通的原理、原則而不是盲目無止盡地去競逐新科技的應用[2]。
因此,就讓我們以在 vMaker 連載的三篇文章來闡述這個學習理念,並且我們也援用曹老師的科學魔法車(https://reurl.cc/W104m7)的電學基礎小實驗,落實「動手做以建立知識直觀」的學習根本大法。

建立直觀

小彼特 V2 版在它正面的商標處板載了電容式(capacitive)觸控的功能:

當我們用指尖去輕觸這個商標時就會觸發小彼特的硬體觸控電路,然後執行對應的處理程式,

例如:播放音效。功能展示影片請參考圖 1。


圖 1:電容式觸控(https://reurl.cc/W1N2Ey

電路原理

V2 版新加的這個觸控功能,其實是實做了一個 RC 延遲(delay)電路(圖 2)。而我們也可以用其他未實作此電路的接腳,以外接電路的方式來達成觸控的功能---甚至使用 V1 版也成(圖 3)[2]。
如圖 3 的藍色虛線所示,當手指未觸碰電路時,3V  10MW  P8 將形成電路迴路(circuit loop)
然而,當我們用手去觸碰圖 2 中的 A 點時,手指頭等效於圖中右邊的由 A 並接到地的電容(cpacitor)而讓電路形成延遲的效果(https://reurl.cc/XVZqqg)。此時,電路 A 點的電位會因為這個電容慢慢充電而致使電位爬升的瞬間形成「低(0)  高(1)」的變化。所以,我們就可以利用這個原理來偵測手指是否按壓了 A 點。
也就是說,當手指觸踫了 A 點(圖 3),小彼特的 P8 腳位就會收到 0。註:讀者可自行使用電錶併接驗證之。
詳細的解說影片請參考圖 4。

圖 2:觸控等效的 RC 延遲電路

 3:接線圖

圖 4原理解說影片(
https://reurl.cc/eOyNmK

程式原理

為了維持小彼特輸入接腳(pin)的高邏輯準位(logic level),圖 3 外接了一顆 10MW 的上拉(pull-up)電阻(https://reurl.cc/ERVKAn) 。所以,我們在小彼特一開機時(圖 5)就將晶片(chip)內的拉升電阻關閉。

(a)

 5:將小彼特晶片中 P8 腳位預設的拉升電阻關閉

接著,只要用手去觸碰 P8 腳位(圖 3),它的電壓會因為手指的等效電容短暫充電而致使 A 點(圖 2)電位降低。此時,就讓小彼特透過板載的蜂鳴器(buzzer)發出特效音(圖 6)。

 6:觸控程式

完整程式碼可由 https://reurl.cc/QbYpko 下載之。

關於 P0、P1 和 P2 的觸控

在小彼特的官方文件中(https://reurl.cc/7pVxv1)指出,無論是 V1 或 V2, P0、P1 和 P2 這三隻接腳已內建了觸控電路,我們可以從圖 7 的電路圖中(https://reurl.cc/XVQn8E)的紅色框標示處很清楚地看到。

 7 P0、P1 和 P2 內建的觸控電路

課程設計

運用小彼特的這個觸控功能,我們設計了「觸控點播」這個教學活動來引導學員們體驗它。

當玩家第一次觸碰小彼特的豬鼻子時,播第一首歌。第二次觸碰時,播第二首…。

完整的解說影片如圖 8 所示。


圖 8:觸控點播教學解說

完整程式碼可由 https://reurl.cc/KQO3nj 下載之。

分享翦影

如圖 9 所示。

 
 
圖 9:觸控教學分享

延伸學習

1. 請讀者們試試看,如果一直按著這個觸控點(V2 版的商標或外接電路)時,會發生什麼狀況?
2. 改用商標觸控的事件積木(圖 ),試試看按下(pressed)觸碰(touched)放開(released)長按(long pressed)這四種操作的控制差異性。

 8:流程圖與 MakeCode 程式對


3. 圖 3 的接線圖中,我們使用了 10M 做為上拉電阻,好奇心的讀者們一定會追問:為什麼選它?坐而言不如起而行,自己動手更換這顆電阻值來觀察會發生什麼事吧?(https://reurl.cc/AOM1Zp

4. 本文介紹的電容式觸控技術正是時下流行的觸控螢幕(touch screen)的基本原理。讀者們可進一步觀看圖  的解說影片。

圖 :觸控螢幕的原理(https://reurl.cc/4pLgeY

[2] 基礎知識的學習應該要學萬事萬物共通性的「基本」原理,所謂「一理通,百里通」就是這個道理。抓粽子要抓繩頭,如果不斷的把力氣緊抓綁在繩尾的粽子上,一次能抓的粽子數量就有限。而且我們將發現:花了大把的時間和金錢之後,我們始終只能跟著廠商不斷推陳出新的商業模式走。如此,我們只能一直當花錢的消費者(consumer),而非學習者(learner)---基礎知識學習的教具,通常不必是花俏的昂貴玩具!

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