学习输入和输出

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输入和输出 (I/O) 基础知识是深入原型设计您自己的物联网设备的关键。本文提供了电子学中 I/O 的基础知识，并附带了其实现的示例。

为了让电路执行有用的操作，它必须接收数据（输入），然后通过操作（输出）进行响应。想象一个儿童玩具，按下按钮会打开灯，松开按钮时灯会关闭。传感器和执行器在此发挥作用，使这成为可能。传感器属于输入角色：它们唯一的功能是感知物理世界中的各种变化，例如温度、触摸、力、湿度和磁场。传感器也称为换能器，因为它们将物理世界中的输入能量转换为输出能量。输出功能通常由执行器管理，执行器控制灯泡或扬声器等设备。

传感器和执行器

有许多不同类型的传感器，它们根据测量的能量变化进行设计。加速度计是许多项目中常见的传感器。它测量加速度力，由梁等元件组成，该元件承受电压以引起扰动。在加速度计系列中，您可以根据加速度计感知加速度变化的方式找到各种类别，例如电容式（与加速度相关的电容变化）、压电式（使用微晶体确定转换为加速度的电压输出）、霍尔效应（变化的磁场）、磁阻式（磁场变化）、热传递和压阻式（电阻变化）。为您的项目购买传感器时，请注意价格可能因灵敏度、范围、精度和准确性等因素而异。执行器从传感器收集数据（电信号）并对其进行操作，从而导致物理世界发生变化。它也是一个换能器，因为它将一种量转换为另一种量。伺服电机、电机和蜂鸣器都属于输出类别。在更复杂的网络中，您可以在一个网络上连接多个传感器和执行器，其中数据收集和协调可以从传感器到传感器、传感器到执行器或执行器到执行器进行设置。

传感器和执行器有许多应用。在健康领域，血糖仪配备生物传感器，可测量患者体内的葡萄糖含量。化学传感器（输入）使用微型泵（输出）触发胰岛素的释放。图 1 显示了一个 I/O 场景，其中声音传感器（输入）将声音转换为电脉冲，扬声器（输出）将这些脉冲转换为声音。流程从输入开始，然后是将物理能量转换为电波的过程，这导致物理输出（声音）。在图 1 中，传感器和执行器连接到Intel® Edison 开发板，这有助于将声音的物理观察转换为扬声器产生的输出。

当传感器检测到一个或多个信号（输入）时，它会将这些信号转换为模拟或数字表示形式供执行器接收。模拟变化以连续速率变化；它们的图示是连续的平滑曲线。数字数据具有精确的计数，创建了具有急剧上升、恒定部分和急剧下降的阶梯状图。在图 1 的示例中，数据是模拟的。处理模拟和数字通信的电子设备都配备了模数转换器，它使微控制器能够连接到模拟传感器以读取模拟电压。图 2 提供了数字和模拟波形的可视化表示。传感器可以设计成具有任一能力；事实上，有模拟和数字加速度计，而光传感器和声音被认为是模拟的。

使用 Intel® Edison 开发板探索输入和输出

让我们更深入地了解在板上启用 I/O 功能的因素，例如Intel® Edison 开发板。通用输入/输出 (GPIO) 引脚位于 Arduino* 扩展板的边缘，如图 3 所示。这些引脚是物理世界和Intel® Edison 开发板之间的物理接口：每个引脚可以表示高（“开”状态，电压变化）或低（“关”状态，无电压）。然后，您可以在引脚上安装一个基座护罩以连接传感器和执行器。在 Intel® Edison 开发板上，I/O 引脚数据写入位于/sys/class/gpio的文件中。鉴于引脚是双向的，方向在/sys/class/gpio/gpio<XX>/direction中声明，其中<XX>表示启用的 GPIO 的编号，方向可以是输入或输出。

现在您已经清楚地了解了 I/O 是什么及其在项目中的作用，让我们看看您每天可能会遇到的更具体的示例，以及如何使用英特尔技术（例如Intel® Edison或Intel® Galileo 开发板）创建类似的设备。

光传感器

光电传感器是一种无源模拟设备，可将光能（无论是可见光还是红外光）转换为电信号输出。光传感器分为四种类型，具体取决于它们对输入（光）的反应方式：光电发射型、光电导型、光伏型和光电结型。本文重点介绍光电导传感器，其电阻在受光照射时会发生变化。光的增加导致电流的增加。光敏电阻 (LDR) 是一种光电导传感器，常用于根据其电阻变化确定是否存在光线而产生动作的设备。

较新的汽车在环境光线“不足”时（例如黄昏或进入黑暗隧道时）会自动打开车灯。同样，您可以在家中或室外区域插上夜灯以照亮空间。您可以使用 LDR、电源（例如电池）、灯、电阻器和晶体管制作一个简单的自制夜灯。要添加功能，请根据加载到 Intel® Edison 开发板上的代码中的输入指定操作。

声音传感器

著名的“拍手开关”灯受益于声音传感器的使用。该设备带有一个麦克风，可以监听周围的噪音（输入），并将其转换为电信号并放大。过滤器通过识别哪些声音落在特定频率范围内来匹配拍手声。根据过滤器的结果，该设备将（或不）向插座发送电信号，以打开或关闭连接到它的物品。

使用 Intel® Edison 开发板和 Arduino* 扩展板以及扬声器和一些晶体管，您可以构建自己的拍手器或“敲击器”，例如“Secret Knock Detecting Door Lock”Instructables 项目中介绍的那个，网址为http://www.instructables.com/id/Secret-Knock-Detecting-Door-Lock。

摘要

您可以使用传感器获取数据，并将它们与执行器结合，以便数据可以导致物理输入转换为物理输出。各种可用的传感器可满足不同的用例和应用，例如热传感器、光传感器和压力传感器等等。将传感器和执行器连接到Intel® Edison 开发板或Intel® Galileo 开发板以从传感器获取数据并在执行器上输出结果。

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