无用机器：开开心心地大闹一场！第 1 部分

几年前在 Kunbus 工作时，我需要制作一件能够完美展示 Revolution Pi 产品系列功能的展品。我们决定搭建一台由 RevPi Core 控制的特别机器，它毫无用处地在各个容器之间循环泵送彩色液体（油和水）。结果在纽伦堡国际电气自动化系统及元件展 SPS IPC Drives 上，这台机器把我们的（当时的）主要经销商的展台变成了一片漂着浮油的水滩，闹了个人仰马翻。

然而犯错的不是机器，而是人：不断重复，却又是神圣的。与此同时，我正在发展自己的业务（称为 BEYOND normal）：我们为客户设计并制作别具一格的展品。于是我想，在英国电子展 WNIE 为 DesignSpark 展台构建“无用机器 2”（即“UM2”）是个不错的时机。顾名思义，这台机器仍然毫无用处。它的主要意义在于启发工程师们拓展 IT 和自动化的交叉点（详见“传统自动化进入 IT 异世界”）：传统自动化的阀门和泵机遇到现代 IT 技术。这台机器中没有使用液位或流量传感器，唯一用于控制算法的组件是一个对准容器的 USB 摄像头。Python 库（例如“openCV”）用于分析传入图片并检测液位，而 Python 则用于状态机的编程（详见“PYTHON – 让“Monty 语言”进入自动化行业”）。继续阅读，获得启发，跳出思维框架，用别具一格的方法开发项目！

慕尼黑电子展 Electronica 上的无用机器第 1 版

英国电子展 WNIE 地毯上的无用机器第 2 版

言归正传，这台机器到底能做什么？正如我之前所说：它没有什么真正的用处。它包含两个容器。左边的容器装有绿色的水，而右边的容器则装有红色的油。两种液体通过泵机输送从各自的容器中输送至位于中间的圆筒中（红色的油漂浮在绿色的水上）。然后机器分离两种液体，再把它们用泵机送回原容器。下面是该机器的简图：

然而在这种设计下，数个输送周期之后，两种液体的纯度很快就会大幅降低。水泵“V”抽吸时，油与水之间的液面变成漏斗形，因此不存在阀门“V”从左侧水管精确切换至右侧油管的时间点。而一旦红色的油进入左边的水容器中，就无法再分离出来，因为油会浮在绿色的水面上。于是我们需要找出液位不确定的补偿方法。我们要找出适合切换阀门的液位范围。这可以通过在中间容器上使用两个出口来实现：

现在我们需要使用下面的出水口排出绿色的水，直到液位完全低于上面的（油）出口。然后我们使用上面的出口安全地将油排出。两个阀门使两种液体部分完全摆脱了任何压差的影响。出油口尺寸够小，表面张力加上附着力够大，足以使红色的油留在阀门和出口之间的管道部分内。否则，重力可将水压入油管，而只要水面高于出口，油就会漂浮至水面。

最后一步，我在两侧各使用两台泵机和两个阀门，因为我使用的泵机无法反向。因此每侧的一组泵机和阀门用于向中间容器灌注，而另一组则用于排放。总的来说，控制器需要切换四台泵机和四个阀门。

幸运的是，我找到了机械安装的理想材料：含水冷设备的“机壳改装”场景提供了这类装置所需的所有液体输送零件（管道、水槽、管件、泵机和阀门）。Alphacool 是 PC 冷却的市场领导者之一。该公司设计的材料十分美观，适合用于展览。它甚至还为管道、水槽和泵提供出色的 LED 照明选项。于是我决定选用该公司的技术，同时还增设了大量由 RevPi 控制的 LED。此外 Alphacool 和 Kunbus 营销团队赞助了制作 UM2 所需的材料，因此在这里我想对他们致以最诚挚的谢意。

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在了解了可用于搭建机器的材料后，我用 DSM 做了一个 3D 模型（在本文结尾处查找文件）。Alphacool 和 Kunbus 为 STP 模型提供了各自的产品。因此我最终得到了一份逼真的制图和精准的尺寸：

其中一个部分是 40 毫米铝杆制成的底座框架和可倾斜的仪表板。该结构具有可调节支脚。弹性唇型件已压入型材的凹槽中（在左下角的图片中，我用一块木片对此进行演示）。之后，它将支撑用作底座外壳的 Dibond 铝板。仪表板支架使用支撑杆，可固定在任何角度。此部分的细节图如下：

仪表板是一块 3 毫米铝板，我已经用商业标牌机打印并切割好。它上面的 DIN 导轨上装有一个 RevPi core 3+、两个 RevPi 数字输出 (DO) 模块（共计 32 PWM 输出通道，以打造令人难忘的 LED 灯光秀），用于四个泵、四个阀门、三个发光开关以及钥匙开关的混合数字输入/输出 (DIO) 模块。此外，DIN 导轨上还装有 8 个用于泵和阀门的 Finder 继电器，因为涌入电流（开启时）可能会超过 RevPi DO 模块的 500 mA 最大输出电流。

请注意连接至各模块的绿色/黄色的 FE 线。我常见到客户不连接 FE 引脚。“FE”表示“功能接地”，与“保护接地”(PE) 无关。它是防止高能量 EMI 脉冲进入模块的唯一方法。因此如果不连接此电线，结果就会几乎没有内部 EMI 保护。如果你的装置无法连接 FE（为此也可以使用 230 V 插座的 PE 引脚），应至少将所有的 FE 引脚连接至中央 GND。本例中，我将它们连接至 DIN 导轨上的接地夹（即底座 GND），同时将导轨连接至用于电池供电的 -12 V 电源。展会展览上通常只是固定使用，即使已使用 SELV 电源，我也总会尝试将 PE 连接至底座。在这种情况，禁止将 -12 V 电源连接至外壳。

此外还有一个 7 in. HDMI TFT 显示器 (Waveshare) 和一个紧急停止按钮。我使用了 HDMI 扁平电缆，这种电缆已成为四轴摄像头的标配，并有数种长度可选。

三位钥匙开关包含三种操作模式：“设置”、“正常”和“自动”。在正常模式下，用户必须在每次启动一个完整的泵送周期时按下绿色的“启动”按钮，而在自动模式下，系统则全天不间断地运行周期。设置模式可用于设置 openCV 图片分析的多个参数，使系统适应周围的照明条件。

此外还有一个红色的“停止”按钮，用于停止当前泵送周期。停止后，必须按下蓝色的“复位”按钮将系统复位至起始状态。系统状态当前可识别的所有按钮都将背光闪烁。

最终仪表板如下所示：

所有的输入/输出都通过电线连接至位于仪表板背面的一个巨大 DIN 导轨夹组上。此外还有一个小型主动式 USB 集线器固定在前板的背面（左下图）。用于 IoT 的 Wifi 收发器、用于 Logitech 无线键盘/鼠标套件（仅限设置用途）的收发器、USB 摄像头和显示器均由该集线器提供电源。整个系统的电源电压为 12 V（Revolution Pi 适用于 12 - 24 V 电压），因为这是外壳改装场景的电压。一个小型 12 V 转 5 V 直流-直流转换器生成 USB 集线器适用的电压。

LED、阀门和泵不直接连接至夹组，因为这样无法区分机器的两个部分。我使用四个霓虹色彩的 PC 连接器来进行区分。

如果你喜欢这类无用的机械设计，请关注第 2 部分，届时我将详细介绍顶部框架，并演示如何进行 RevPi Core 的准备工作。