树莓派“丝杆”创意智造二例

牟晓东

在中小学阶段的开源硬件编程创意智造中，有时会用到一种叫作“丝杆”（微型）的输出设备，常见的“滚珠丝杆”能够将圆周运动转化为直线运动，也就是依靠设定内部的微型步进电机精准的正转或反转的圈数，最终带动丝杆上的“滑台”产生直线位移。利用丝杆的这一特征，我们可以在树莓派中使用图形化编程进行各种创意智造，开发出一些有趣好玩儿的创客项目。

案例1  按钮控制丝杆精准升旗

一、实验器材及连接

实验器材包括树莓派3B+和古德微扩展板各一块，微型滚珠丝杆（包括电机驱动板）一个，按钮一个，杜邦线若干，国旗徽章一枚。

丝杆的内部步进电机有四根引线，首先将它们分别连接至电机驱动板的L1、L2、L3和L4端，再将电机驱动板底部标注有5V、GND和VCC的引脚通过杜邦线分别连接至扩展板左下角的5V、GND和3.3V引脚，将电机驱动板中间的IN1、IN2、IN3和IN4引脚通过杜邦线分别连接至扩展板的5号、6号、12号和16号引脚的正极;接着，将按钮插入扩展板的25号引脚，注意VCC、OUT和GND同样要一一对应;最后，借助于热熔胶枪将国旗徽章粘贴于丝杆的滑台上，并且给树莓派通電，启动操作系统（如图1）。

二、图形化编程

虽然丝杆的连接方式较为复杂，但使用“积木”进行图形化编程来控制却非常简单。在浏览器中访问古德微机器人网站并进行账号登录后，首先，从“智能硬件”-“常用”区域将丝杆的初始化模块语句拖至编程区，即“设置步进电机GPIO口分别为‘步进电机输入端”，对应的GPIO接口分别是5、6、12和16;接着，建立一个“重复当‘真”的循环结构，嵌套一个“如果…执行…”的选择结构，判断条件为“获取25号按钮检测结果”，当检测到按钮有“被按下”的动作时，执行下面的模块语句：

先是在LOG调试信息区输出调试信息：“奏国歌，升国旗！”然后是一个重复执行600次的循环，每次均控制丝杆的步进电机以“慢速”的速度正转1圈、等待0.038秒后再进入下一次循环。这是因为国歌的正常播放时长是46秒，经测试——丝杆的步进电机如果不加等待时间进行“慢速”正转600圈的话，大约是23秒钟，对应滑台从预设的“地面”到预设的“旗杆顶部”（不要设置为丝杆的最顶端以防损坏），冗余的23秒钟（46-23）就要在600次循环中进行均匀拆解来“消耗”掉，才能整体实现精准升旗的效果。循环结束后，LOG调试信息区输出“礼毕！”，再加一个“等待0.001秒”的按钮“消抖”时间等待模块即可（如图2）。

三、程序的运行测试

将程序保存为“按钮控制丝杆精准升旗”后点击“运行”按钮，将丝杆竖直后按一次按钮，就会实现在奏国歌的46秒时间内精准升旗的效果（如图3）。

此时还有个小“问题”，那就是丝杆控制滑台带动国旗完成升旗后，如何复位以进行下一次的升旗呢？非常简单，可以在程序中的整个“重复当‘真”循环结构上点击右键，选择“禁用块”（变灰）;然后，在后面添加一条“控制步进电机以‘快速的速度反转‘600圈”的模块语句，执行一次程序即可控制滑台复位。

同样，程序中也可以使用“多线程”方式来调用音乐播放模块语句——演奏《义勇军进行曲》，实现“奏国歌”与“升国旗”同步进行的效果。

案例2  丝杆“声控”推拉门

一、实验器材及连接

实验器材包括树莓派3B+和古德微扩展板各一块，丝杆一个，USB接口麦克风一个，音箱一个，杜邦线若干，硬纸片一张（模拟推拉门）。

丝杆的连接方法与案例1完全相同，再将麦克风插入树莓派的一个USB接口中;然后，将音箱插入树莓派的音频输出插孔，再用热熔胶枪将带有“我是‘推拉门，声控噢！”标记的硬纸片粘贴于丝杆的滑台上，给树莓派通电，启动操作系统（如图4）。

二、图形化编程

由于用到了麦克风要进行语音唤醒和识别，因此先要从“人工智能”-“语音识别”中将“小度小度关键词语音唤醒，请创建一个Wakeup新函数”功能模块拖至中央编程区;然后，仍然是对丝杆的步进电机进行初始化;接着，建立一个名为Wakeup的函数，用来响应被语音唤醒时触发的一系列动作：

先是播放“叮”的一声（在树莓派SD卡中：/home/pi/temp/ding.mp3）作为唤醒回应，并且在LOG调试信息区输出调试信息：“Hello”;然后，建立变量“语音输入”，为其赋值为“将3秒的语音输入保存到‘/home/pi/temp/record.mp3”，再建立变量“语音文字”，赋值为“把语音‘语音输入转换为文字”，实现将用户的语音指令转换成文字信息的功能;接着，建立一个三分支选择结构，前两个分支的判断条件类似——“语音文字”中是否包含有“开门”（或“关门”）的关键字，条件成立，则在LOG调试信息区输出该关键字，并且控制丝杆的步进电机以“中速”（可自行设置“快速”或“慢速”等）正转或反转600圈，正转对应开门、反转对应关门;第三个分支用来匹配用户的语音指令中未包含“开门”或“关门”时的情况，则语音提醒用户“请发正确的指令！”（包括LOG调试信息区也同步显示）。

最后，加一个“等待0.1秒”的功能模块，作用是防止占用过多系统资源而“死机”（如图5）。

三、程序的运行测试

将程序保存为“丝杆‘声控推拉门”后点击“运行”按钮，开始对麦克风发出语音指令进行测试（注意每次语音指令的唤醒词必须是“小度小度”）：当说“小度小度，关门”时，丝杆会将推拉门缓缓关闭;当说“小度小度，开门”时，推拉门则会缓缓打开;当说“小度小度，就这样吧”（或者其他不包括“开门”“关门”的语音指令）时，音箱会发出“请发正确的指令”的语音提醒（如图6）。

同时，在LOG调试信息区也会输出对应的文字信息，提醒用户程序的运行进程。需要特别注意的是，如果推拉门已经处于“开门”的状态时，就不要发出“小度小度，开门”的重复语音指令，否则丝杆的步进电机又会做出“响应”——继续“开门”，但无法控制滑块推拉门移动，反之亦然。