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开源硬件的项目设计与开发有益于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力，同时也是有助于实现STEAM（科学、技术、工程、人文艺术与数学）教育的理想方法。在开展开源硬件课程时，我们常常会指导学生利用Arduino开源硬件与各类电子传感器元件制作一些富有创意的电子产品。
Arduino的相关硬件非常多，其中有5个硬件模块不可或缺，分别是超声波传感器、舵机、轻触开关模块、LED灯和光学传感器。尤其对于初学者来说，这5个硬件模块是必须要掌握的。
超声波传感器
超声波传感器是Arduino案例中常用的硬件之一。汽车上的倒车雷达就是用超声波传感器检测到的距离判断车辆位置的;在很多机器人测距避障的案例中，也会选择用超声波传感器检测距离信息。常用的超声波传感器有好几种，例如HC-SR04、HC-SR05、US-100、US-015等，这些传感器都是做好了电路集成的模块。
超声波传感器的工作原理是模仿蝙蝠的超声定位，其发射器会向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在传播途中碰到障碍物会立即返回，接收器收到反射波就立即停止计时。根据计时器记录的时间t，声波在空气中的传播速度为340m/s，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340×t/2。简单来说就是传感器会先发出一个声音，然后再接收返回的声音，通过发出和返回的时间差计算出距离，这就是所谓的“时间差测距法”。
超声波传感器是一个模拟输入模块，共有4个针脚，分别是VCC、Trig、Echo和GND，VCC和GND为电源的正负极，Trig和Echo分别为控制端和接收端。当Arduino主板接收到信号后，通过程序换算成距离的单位，然后就可以得到传感器所测到的距离值。
舵机
舵机是一种伺服电机，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。例如遥控潜艇模型、遥控机器人等，同时它也是Arduino案例中最常用的输出类硬件。最初，舵机是为控制玩具汽车和飞机才被设计的。
舵机主要由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。位置检测其实就是利用了可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，借由检测电阻值便可知转动的角度。
我们在案例中使用的大多数规格的舵机都是出3根线，常见的是红、棕、橙3个颜色，也有红、白、黑三色的。红色为5V电源线，黑色或棕色线为接地线，橙色或白色线为信号线。
常见的“机械手臂”案例就是使用舵机实现的，通过主板控制不同的舵机，转动不同的角度，最终实现机械手臂的流畅运动。如果我们想要制作的案例需要实现精确转动或者固定角度的往复转动，那么舵机是必备的硬件模块之一。
轻触开关模块
轻触开关又叫按键开关，这种硬件最早出现在日本，从各种电源开关到数字键盘等，在生活中总能找到它的身影。在使用时，我们需要向开关操作方向施压，开关按键被按下后就会闭合接通，当撤销压力时开关也就随即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化实现通断的。
我们常用的按键开关模块是一种数字输入模块，它将按键开关元件和上拉电阻等元器件集合而成。按键开关模块通常是3P接口，分别是数据线S、电源V和地线G。在实际应用时，需要将S端接在Arduino主板上的模拟输入接口，V接在正极，G接在地线。当我们按下按键时，它输出的数字信号是高电平，松开按键时输出低电平。
轻触开关有接触电阻荷小、精确的操作力误差、规格多样化等方面的优势，在电子设备及白色家电等方面得到广泛应用，如影音产品、数码产品、遥控器、通讯产品、家用电器、安防产品、玩具、电脑产品、健身器材、医疗器材等。
LED灯
LED又称发光二极管，从广告面板到手电筒再到路灯，LED在我们的生活中无处不在。
作为一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，LED可以直接把电转化为光，这种光电转换效率比传统的白炽灯要高许多。LED是一种单向导电的二极管，有一长一短2个脚，短的连接GND，长的连接正极。需要注意的是，如果接反了不仅不会亮，还会有损毁风险。
我们常用的LED模块上面有1个发光二极管，除此之外还有1个用于限流分压的电阻，除了元器件之外，在模块上还有3个管脚，使用时，我们可以把LED模块的3个脚接到Arduino板上，GND接地，VCC接5V，IN接IO脚。不同品牌的模块管脚标注方法会有所不同，有的把GND标为“-”号，把IN标为“S”（即Signal信号的意思），在连接之前需要注意查看。光线传感器
凡是涉及与光线强度相关的案例，就一定会用到光线传感器。光线传感器大多是基于半导体的光电效应原理开发出来的，可以用于对传感器周围环境光的强度进行检测。光线传感器的实质是一个光敏电阻，其阻值会随着光线强度的变化而变化，当光照变强时，阻值变小;光照减弱时，阻值增大。简单来说，光线传感器就是利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理将光线强度转换为电压信号。
光线传感器模块共引出3个引脚，分别是数据线S，电源Vcc和地线GND。实际应用时需要将S端接在Arduino主板上的模拟输入接口，通过光线强度的变化改变阻值，從而改变S端的输出电压。Arduino主板将电压值转换为模拟信号的数值。
举个例子，我们常见的楼道灯需要在光线变暗时打开灯光，这里检测光线变暗通常使用的就是光线传感器。还有“追光太阳能板”，通过控制舵机转动让太阳能板时刻正对太阳，这就是利用了4个光线传感器检测太阳的光照度，4个传感器组成2×2的阵列，阵列中间有1个“十”字的遮光板，当太阳光直射时4个传感器的数值一样，当斜射时遮光板就会挡住一些光，从而通过比较4个传感器的数值就可以判断太阳在哪个方位，也就知道舵机需要向哪个方向转动了。
当Arduino连上传感器与硬件模块，可以很好地将人与环境，甚至与世界互动起来。如果我们有不错的想法和创意，可以通过Arduino编程实现，在教学中，我们可以引导学生从生活实际出发选定项目主题，发现生活中存在的问题，提出解决方案并实施，以求解决问题，从而让科技走进生活，让我们的生活更加美好。
Arduino的相关硬件非常多，其中有5个硬件模块不可或缺，分别是超声波传感器、舵机、轻触开关模块、LED灯和光学传感器。尤其对于初学者来说，这5个硬件模块是必须要掌握的。
超声波传感器
超声波传感器是Arduino案例中常用的硬件之一。汽车上的倒车雷达就是用超声波传感器检测到的距离判断车辆位置的;在很多机器人测距避障的案例中，也会选择用超声波传感器检测距离信息。常用的超声波传感器有好几种，例如HC-SR04、HC-SR05、US-100、US-015等，这些传感器都是做好了电路集成的模块。
超声波传感器的工作原理是模仿蝙蝠的超声定位，其发射器会向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在传播途中碰到障碍物会立即返回，接收器收到反射波就立即停止计时。根据计时器记录的时间t，声波在空气中的传播速度为340m/s，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340×t/2。简单来说就是传感器会先发出一个声音，然后再接收返回的声音，通过发出和返回的时间差计算出距离，这就是所谓的“时间差测距法”。
超声波传感器是一个模拟输入模块，共有4个针脚，分别是VCC、Trig、Echo和GND，VCC和GND为电源的正负极，Trig和Echo分别为控制端和接收端。当Arduino主板接收到信号后，通过程序换算成距离的单位，然后就可以得到传感器所测到的距离值。
舵机
舵机是一种伺服电机，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。例如遥控潜艇模型、遥控机器人等，同时它也是Arduino案例中最常用的输出类硬件。最初，舵机是为控制玩具汽车和飞机才被设计的。
舵机主要由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。位置检测其实就是利用了可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，借由检测电阻值便可知转动的角度。
我们在案例中使用的大多数规格的舵机都是出3根线，常见的是红、棕、橙3个颜色，也有红、白、黑三色的。红色为5V电源线，黑色或棕色线为接地线，橙色或白色线为信号线。
常见的“机械手臂”案例就是使用舵机实现的，通过主板控制不同的舵机，转动不同的角度，最终实现机械手臂的流畅运动。如果我们想要制作的案例需要实现精确转动或者固定角度的往复转动，那么舵机是必备的硬件模块之一。
轻触开关模块
轻触开关又叫按键开关，这种硬件最早出现在日本，从各种电源开关到数字键盘等，在生活中总能找到它的身影。在使用时，我们需要向开关操作方向施压，开关按键被按下后就会闭合接通，当撤销压力时开关也就随即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化实现通断的。
我们常用的按键开关模块是一种数字输入模块，它将按键开关元件和上拉电阻等元器件集合而成。按键开关模块通常是3P接口，分别是数据线S、电源V和地线G。在实际应用时，需要将S端接在Arduino主板上的模拟输入接口，V接在正极，G接在地线。当我们按下按键时，它输出的数字信号是高电平，松开按键时输出低电平。
轻触开关有接触电阻荷小、精确的操作力误差、规格多样化等方面的优势，在电子设备及白色家电等方面得到广泛应用，如影音产品、数码产品、遥控器、通讯产品、家用电器、安防产品、玩具、电脑产品、健身器材、医疗器材等。
LED灯
LED又称发光二极管，从广告面板到手电筒再到路灯，LED在我们的生活中无处不在。
作为一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，LED可以直接把电转化为光，这种光电转换效率比传统的白炽灯要高许多。LED是一种单向导电的二极管，有一长一短2个脚，短的连接GND，长的连接正极。需要注意的是，如果接反了不仅不会亮，还会有损毁风险。
我们常用的LED模块上面有1个发光二极管，除此之外还有1个用于限流分压的电阻，除了元器件之外，在模块上还有3个管脚，使用时，我们可以把LED模块的3个脚接到Arduino板上，GND接地，VCC接5V，IN接IO脚。不同品牌的模块管脚标注方法会有所不同，有的把GND标为“-”号，把IN标为“S”（即Signal信号的意思），在连接之前需要注意查看。光线传感器
凡是涉及与光线强度相关的案例，就一定会用到光线传感器。光线传感器大多是基于半导体的光电效应原理开发出来的，可以用于对传感器周围环境光的强度进行检测。光线传感器的实质是一个光敏电阻，其阻值会随着光线强度的变化而变化，当光照变强时，阻值变小;光照减弱时，阻值增大。简单来说，光线传感器就是利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理将光线强度转换为电压信号。
光线传感器模块共引出3个引脚，分别是数据线S，电源Vcc和地线GND。实际应用时需要将S端接在Arduino主板上的模拟输入接口，通过光线强度的变化改变阻值，從而改变S端的输出电压。Arduino主板将电压值转换为模拟信号的数值。
举个例子，我们常见的楼道灯需要在光线变暗时打开灯光，这里检测光线变暗通常使用的就是光线传感器。还有“追光太阳能板”，通过控制舵机转动让太阳能板时刻正对太阳，这就是利用了4个光线传感器检测太阳的光照度，4个传感器组成2×2的阵列，阵列中间有1个“十”字的遮光板，当太阳光直射时4个传感器的数值一样，当斜射时遮光板就会挡住一些光，从而通过比较4个传感器的数值就可以判断太阳在哪个方位，也就知道舵机需要向哪个方向转动了。
当Arduino连上传感器与硬件模块，可以很好地将人与环境，甚至与世界互动起来。如果我们有不错的想法和创意，可以通过Arduino编程实现，在教学中，我们可以引导学生从生活实际出发选定项目主题，发现生活中存在的问题，提出解决方案并实施，以求解决问题，从而让科技走进生活，让我们的生活更加美好。