樹莓派“絲桿”創意智造二例

牟曉東

在中小學階段的開源硬件編程創意智造中，有時會用到一種叫作“絲桿”（微型）的輸出設備，常見的“滾珠絲桿”能夠將圓周運動轉化為直線運動，也就是依靠設定內部的微型步進電機精準的正轉或反轉的圈數，最終帶動絲桿上的“滑臺”產生直線位移。利用絲桿的這一特征，我們可以在樹莓派中使用圖形化編程進行各種創意智造，開發出一些有趣好玩兒的創客項目。

案例1? 按鈕控制絲桿精準升旗

一、實驗器材及連接

實驗器材包括樹莓派3B+和古德微擴展板各一塊，微型滾珠絲桿（包括電機驅動板）一個，按鈕一個，杜邦線若干，國旗徽章一枚。

絲桿的內部步進電機有四根引線，首先將它們分別連接至電機驅動板的L1、L2、L3和L4端，再將電機驅動板底部標注有5V、GND和VCC的引腳通過杜邦線分別連接至擴展板左下角的5V、GND和3.3V引腳，將電機驅動板中間的IN1、IN2、IN3和IN4引腳通過杜邦線分別連接至擴展板的5號、6號、12號和16號引腳的正極;接著，將按鈕插入擴展板的25號引腳，注意VCC、OUT和GND同樣要一一對應;最后，借助于熱熔膠槍將國旗徽章粘貼于絲桿的滑臺上，并且給樹莓派通電，啟動操作系統（如圖1）。

二、圖形化編程

雖然絲桿的連接方式較為復雜，但使用“積木”進行圖形化編程來控制卻非常簡單。在瀏覽器中訪問古德微機器人網站并進行賬號登錄后，首先，從“智能硬件”-“常用”區域將絲桿的初始化模塊語句拖至編程區，即“設置步進電機GPIO口分別為‘步進電機輸入端”，對應的GPIO接口分別是5、6、12和16;接著，建立一個“重復當‘真”的循環結構，嵌套一個“如果…執行…”的選擇結構，判斷條件為“獲取25號按鈕檢測結果”，當檢測到按鈕有“被按下”的動作時，執行下面的模塊語句：

先是在LOG調試信息區輸出調試信息：“奏國歌，升國旗！”然后是一個重復執行600次的循環，每次均控制絲桿的步進電機以“慢速”的速度正轉1圈、等待0.038秒后再進入下一次循環。這是因為國歌的正常播放時長是46秒，經測試——絲桿的步進電機如果不加等待時間進行“慢速”正轉600圈的話，大約是23秒鐘，對應滑臺從預設的“地面”到預設的“旗桿頂部”（不要設置為絲桿的最頂端以防損壞），冗余的23秒鐘（46-23）就要在600次循環中進行均勻拆解來“消耗”掉，才能整體實現精準升旗的效果。循環結束后，LOG調試信息區輸出“禮畢！”，再加一個“等待0.001秒”的按鈕“消抖”時間等待模塊即可（如圖2）。

三、程序的運行測試

將程序保存為“按鈕控制絲桿精準升旗”后點擊“運行”按鈕，將絲桿豎直后按一次按鈕，就會實現在奏國歌的46秒時間內精準升旗的效果（如圖3）。

此時還有個小“問題”，那就是絲桿控制滑臺帶動國旗完成升旗后，如何復位以進行下一次的升旗呢？非常簡單，可以在程序中的整個“重復當‘真”循環結構上點擊右鍵，選擇“禁用塊”（變灰）;然后，在后面添加一條“控制步進電機以‘快速的速度反轉‘600圈”的模塊語句，執行一次程序即可控制滑臺復位。

同樣，程序中也可以使用“多線程”方式來調用音樂播放模塊語句——演奏《義勇軍進行曲》，實現“奏國歌”與“升國旗”同步進行的效果。

案例2? 絲桿“聲控”推拉門

一、實驗器材及連接

實驗器材包括樹莓派3B+和古德微擴展板各一塊，絲桿一個，USB接口麥克風一個，音箱一個，杜邦線若干，硬紙片一張（模擬推拉門）。

絲桿的連接方法與案例1完全相同，再將麥克風插入樹莓派的一個USB接口中;然后，將音箱插入樹莓派的音頻輸出插孔，再用熱熔膠槍將帶有“我是‘推拉門，聲控噢！”標記的硬紙片粘貼于絲桿的滑臺上，給樹莓派通電，啟動操作系統（如圖4）。

二、圖形化編程

由于用到了麥克風要進行語音喚醒和識別，因此先要從“人工智能”-“語音識別”中將“小度小度關鍵詞語音喚醒，請創建一個Wakeup新函數”功能模塊拖至中央編程區;然后，仍然是對絲桿的步進電機進行初始化;接著，建立一個名為Wakeup的函數，用來響應被語音喚醒時觸發的一系列動作：

先是播放“叮”的一聲（在樹莓派SD卡中：/home/pi/temp/ding.mp3）作為喚醒回應，并且在LOG調試信息區輸出調試信息：“Hello”;然后，建立變量“語音輸入”，為其賦值為“將3秒的語音輸入保存到‘/home/pi/temp/record.mp3”，再建立變量“語音文字”，賦值為“把語音‘語音輸入轉換為文字”，實現將用戶的語音指令轉換成文字信息的功能;接著，建立一個三分支選擇結構，前兩個分支的判斷條件類似——“語音文字”中是否包含有“開門”（或“關門”）的關鍵字，條件成立，則在LOG調試信息區輸出該關鍵字，并且控制絲桿的步進電機以“中速”（可自行設置“快速”或“慢速”等）正轉或反轉600圈，正轉對應開門、反轉對應關門;第三個分支用來匹配用戶的語音指令中未包含“開門”或“關門”時的情況，則語音提醒用戶“請發正確的指令！”（包括LOG調試信息區也同步顯示）。

最后，加一個“等待0.1秒”的功能模塊，作用是防止占用過多系統資源而“死機”（如圖5）。

三、程序的運行測試

將程序保存為“絲桿‘聲控推拉門”后點擊“運行”按鈕，開始對麥克風發出語音指令進行測試（注意每次語音指令的喚醒詞必須是“小度小度”）：當說“小度小度，關門”時，絲桿會將推拉門緩緩關閉;當說“小度小度，開門”時，推拉門則會緩緩打開;當說“小度小度，就這樣吧”（或者其他不包括“開門”“關門”的語音指令）時，音箱會發出“請發正確的指令”的語音提醒（如圖6）。

同時，在LOG調試信息區也會輸出對應的文字信息，提醒用戶程序的運行進程。需要特別注意的是，如果推拉門已經處于“開門”的狀態時，就不要發出“小度小度，開門”的重復語音指令，否則絲桿的步進電機又會做出“響應”——繼續“開門”，但無法控制滑塊推拉門移動，反之亦然。