第13课 自动门

课程导入

自动门，当你走到门前的时候会自动打开，想想是不是很方便呢？这节课，我们就来实现它。回顾前面的课程中，似乎没有电子模块可以用来检测人体接近，也没有可以模拟门打开的电子模块，虽说电机可以转动，但转速过快并且难以控制，不能用作开门和关门，到底该用哪些电子模块来实现自动门的项目效果呢？

知识锦囊

人体红外运动传感器

人体红外运动传感器用于检测是否有人或动物在其检测范围内运动，它是一种被动式红外传感器，当传感器闲置时，位于传感器检测范围内的物体，如房间、墙和桌子等，发射的红外线强度几乎恒定；而当有人或动物经过时，传感器检测到的红外线强度就会发生一定的变化，根据这些变化，就可以判定是否有人或动物经过。常用于安防警报，运动探测，智能开关或机器人领域等。注意，传感器检测距离最长为 3m 至 5m，我们建议的最佳检测距离为 2m 左右。

舵机

自动门的制作除了用到人体红外运动传感器之外，还要用到舵机。舵机是具有齿轮和反馈系统的直流电机，我们可以对舵机进行精确的位置控制，舵机又叫伺服电机，常用在需要角度变化并可以保持的控制系统，如机器人设备。在自动门项目中，我们通过迷你红外运动传感器来感知是否有人靠近，从而给舵机发出信号控制其转动，带动门板到固定位置，当人离开时，舵机控制门关闭。

实践操作

当我们需要控制舵机转动时，需要通过 PWM 信号来控制舵机的输出量，PWM 脉冲的占空比直接决定了舵机输出轴的转动位置，下图展示了频率为 50Hz 时，不同脉冲信号和舵机转动的角度的关系。

然而不同型号的舵机工作脉冲会有些许差异，我们手中的舵机我们使用频率为100HZ，对应脉冲宽度、转动角度及 duty_u16 数值之间的关系：

下面，我们就来尝试通过 PWM 信号控制舵机转动。

项目一：舵机控制

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - 舵机

使用 Grove 数据线将舵机连接到拓展板D20接口，对照上表我们尝试让舵机在45°和90°之间来回转动。

编写程序

首先引入需要用到的库，对舵机引脚进行定义。

from machine import Pin,PWM
from utime import sleep
pwm_servo = PWM(Pin(20))
pwm_servo.freq(100)

接下来通过 for 循环，将舵机从0°到180°转动循环10次，完整程序如下：

from machine import Pin,PWM
from utime import sleep
pwm_servo = PWM(Pin(20))
pwm_servo.freq(100)
for i in range(10):
    pwm_servo.duty_u16(7250)
    sleep(1)
    pwm_servo.duty_u16(10500)
    sleep(1)

运行程序可以发现，舵机会在0°到180°之间来回转动，循环十次，达到了我们想实现的效果。当我们想要控制舵机转动到其他角度，再去计算相对应的数值，如果我们想在其他的项目中结合舵机一起使用，也需要重新定义函数和相对应的数值，似乎并不方便。为此，我们就需要函数库了。简单来讲，库文件就是一个包含所有你定义的函数和变量的文件，库文件可以被其他的程序引入，以使用该库文件中的函数等功能。在前面的课程中，我们使用过很多 MicroPython 自带的标准库比如 machine，utime，还有使用者自主开发的第三方库，比如 lcd1602， dht11 等。本节课，我们将学习如何给舵机写一个简单的库文件，定义它的引脚以及转动的角度。

• 定义类

简单来说，类是用来描述具有相同属性和方法的对象集合，它定义了该集合中所有对象所共有的属性和方法 Python 中定义类要使用 class 来实现，类名后面以冒号结束。例如我们在前面课程中引入过 MicroPython 标准库machine 库中的 Pin 类，该类中就包含了所有关于 Pin 的函数。如下所示，我们定义了一个舵机的类。

class SERVO:

• 构造函数

接下来我们通过 def init() 为舵机的类添加构造函数，可以包含多个参数，当我们需要在函数中引用一个变量的时候，就需要通过函数体本身传入该参数的值，那么我们就需要先在函数体中设置这个参数。例如下方我们构造的函数，其作用是将某一引脚设置为输出 PWM 信号的引脚，那我们在函数体中需要引入的参数即为引脚号。除了 pi n以外，我们还引入了一个名为 self 的参数， self 代表类的实例，而非类，这也是类的函数和普通函数的区别。

def __init__(self,pin):
    self.pin = pin
    self.pwm = PWM(self.pin)

接下来，我们定义了 turn 函数用以计算舵机的转动角度val ，在该函数中，我们通过 freq() 给舵机输出 PWM 信号，并通过 duty_u16() 函数给舵机输出模拟值来控制舵机转动。需要注意的是，该模拟值是由公式：val/180*13000+4000 计算得出，我们需要通过 int() 函数把公式计算出的字符串或数字转换为整型。

def turn(self, val):
    self.pwm.freq(100)
    self.pwm.duty_u16(int(val/180*13000+4000))

完整库文件如下：

from machine import Pin, PWM #调用machine库
#下面定义了一个伺服对象
class SERVO: 
    #对创建的类添加构造方法：
    def __init__(self, pin): 
        #下面定义pin和pwm两个实例变量
        self.pin = pin
        self.pwm = PWM(self.pin)
    #下面定义了一个turn的实例方法，用以计算舵机的转动角度:
    def turn(self, val):
        self.pwm.freq(100)
        self.pwm.duty_u16(int(val/180*13000+4000))

写好库文件后，我们将它命名为 servo.py 存储在 Pico 中，接下来就可以直接调用库中的函数了。修改项目一的程序如下，我们可以直接写入想要舵机转动的角度，运行该程序，看看效果吧。

from machine import Pin
from utime import sleep
from servo import SERVO
servo = SERVO(Pin(20))
for i in range(10):
    servo.turn(20)
    sleep(1)
    servo.turn(160)
    sleep(1)

舵机控制.mp4

项目二：用人体红外运动传感器控制舵机转动

接下来，我们用人体红外运动传感器控制舵机转动，实现自动门的效果。

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - 舵机
• Grove - 人体红外运动传感器

将人体红外运动传感器接入 D18 接口，将舵机接入 D20 接口。

编写程序

首先引入需要用到的库，并对舵机和人体红外运动传感器进行引脚定义，这里我们引用了刚才新建的舵机库。

from machine import Pin
from utime import sleep
from servo import SERVO
servo = SERVO(Pin(20))
miniPir = Pin(18, Pin.IN)

因为人体红外运动传感器只有两种状态，被触发和没有被触发，因此我们只需要判断它返回的值是否是1，并在交互区打印 “Motion Detected” 表示传感器被触发，这时舵机转动到160°表示门打开了，等待10秒，们自动关闭。完整程序如下：

from machine import Pin
from utime import sleep
from servo import SERVO
servo = SERVO(Pin(20))
miniPir = Pin(18, Pin.IN)
while True:
    if miniPir.value()== 1:
        print('Motion Detected')
        servo.turn(160)
        sleep(10)
        servo.turn(20)

运行该程序，将其保存在电脑任意位置，用手在人体红外运动传感器附近挥动，观察舵机转动的效果。
用人体红外运动传感器控制舵机转动.mp4

思维拓展

项目一和项目二中，我们通过给舵机引脚写入模拟值控制舵机直接转动到想要的角度，你能尝试编写程序使舵机从0°开始，一点一点逐渐转动到180°吗？

from machine import Pin
from servo import SERVO
from time import sleep
servo = SERVO(Pin(20))
a = 180
while True:
    a = a == 0 and 180 or a - 1
    servo.turn(a)
    sleep(0.1)