設(shè)計一個定時鬧鐘

謝作如 蔡慧敏

鬧鐘在我們?nèi)粘Ｉ钪惺殖Ｒ姡瑤缀跛械氖謾C都自帶了鬧鐘功能。不知道大家是否記得指針式鬧鐘（如圖1）。現(xiàn)在的鬧鐘，純機械的幾乎絕版了，就連指針式的電子鬧鐘也不多見了。利用開源硬件，做一個復(fù)古的指針式鬧鐘，讓它能定時鬧鈴，應(yīng)該是挺有趣的。

● 器材和原理

鬧鐘至少需要指針和鈴聲。因此，舵機和蜂鳴器是必要的電子模塊。舵機可以做指針，每分鐘轉(zhuǎn)動一定的角度。當(dāng)舵機轉(zhuǎn)到預(yù)定的角度（預(yù)定時間）時，停止轉(zhuǎn)動并讓蜂鳴器響起，這就是定時鬧鐘的核心功能了。至于控制板，當(dāng)然選擇Arduino了。

舵機的工作過程是把所接收到的電信號轉(zhuǎn)換為電動機軸上的角位移或角速度輸出，可以精確控制其旋轉(zhuǎn)的角度。為了辨別舵機的轉(zhuǎn)動，我們需要做一個指針固定在舵機上。鬧鐘的原型如圖2所示。

● 建模和編程

我們先確定做一個1小時的鬧鐘，指的是最大時間長度（最大量程）是1小時的鬧鐘。然后找一張紙剪成圓形，用一個畫了刻度的半圓（180度）來表示鬧鐘的指針。簡單計算下，舵機每分鐘轉(zhuǎn)動的單位角度是3度，即180/60=3（度）。如果要定時15分鐘，當(dāng)舵機轉(zhuǎn)過45度時就要“鬧鈴”了。

你能否歸納出定時n分鐘時舵機轉(zhuǎn)過的角度？答案就是3×n度。為了讓舵機順時針轉(zhuǎn)動，舵機的初始角度要設(shè)定為180度，即從180度到0度旋轉(zhuǎn)。那么，舵機的角度隨時間的增加而減小，因此n分鐘的定時，舵機停止轉(zhuǎn)動的角度就是（180-3n）度，如表1所示。

弄明白原理，就可以開始編程了。我們采用的編程工具是Mixly（米思齊）。編程工具M(jìn)ixly可以通過掃描文尾的二維碼下載。以1小時鬧鐘定時15分鐘為例，具體代碼見下頁圖3。

那么，如何制作一個最大量程為15分鐘或者3小時之類的鬧鐘？在代碼中預(yù)設(shè)的最小單位角度（3度）不變的情況下，只用修改延時即可。例如，最大里程是3小時，可知每分鐘轉(zhuǎn)1度（180度/180=1度），轉(zhuǎn)過單位角度（3度）需要180秒，所以延時時間為180000毫秒。現(xiàn)在，你能否歸納出最大量程為n分鐘的鬧鐘需要的延時時間呢？整理出一個表格去看就會更加清晰，如表2所示。

● 作品測試

既然是鬧鐘，其定時的長度肯定要能夠允許用戶自行定義。要實現(xiàn)這樣的功能，需要增加一個按鈕和旋鈕：當(dāng)按下按鈕時，調(diào)整舵機的初始角度，使舵機回到原點。旋鈕的作用即是記錄需要的時間，為了增加效果，旋鈕上也需要安裝一個指針。

本例子將信號線連接到9號數(shù)字針腳。將蜂鳴器的紅線與控制板的正極相連，黑線插在2號數(shù)字針腳上。

旋鈕的輸出值是0～1024，可是舵機旋轉(zhuǎn)的角度是0～180度，如何實現(xiàn)兩者的關(guān)聯(lián)呢？Arduino中提供了map函數(shù)（Mixly中翻譯為“映射”），實現(xiàn)前者與后者的對應(yīng)關(guān)系，并返回映射后的數(shù)值。其實，只要數(shù)學(xué)還過得去，就能明白這個關(guān)系式其實很簡單：舵機角度=（旋鈕值÷1024）×180。調(diào)試時，最好利用串口將數(shù)據(jù)讀出來觀察。

完整的代碼如圖4所示。為了方便測試，代碼中將延時時間設(shè)定為300毫秒。掃描二維碼可以看到作品的演示視頻。

● 拓展提升

定時鬧鐘的前期工作基本完成，最后可以發(fā)揮自己的想象，加上裝飾，畫上刻度。當(dāng)當(dāng)當(dāng)……炫酷的定時鬧鐘就這樣制作完成了。根據(jù)自己的需要動手制作不同里程的鬧鐘吧，只要去做了，你一定會驚訝于自己的創(chuàng)意的。我們設(shè)計的作品如圖5所示。

最后，要出個題目考考大家：按照上面的思路，“延時”所需要的時間越長，這個鬧鐘的誤差值就會越大，如何提高精度，將誤差減小呢？要解決這個問題，還需要繼續(xù)加強編程能力。

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