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好音樂的科學：破解基礎樂理和美妙旋律的音階秘密

為了解決音量 混 音 程式 找不到 應用程式的問題，作者約翰‧包威爾 這樣論述：

榮登亞馬遜、紐約時報暢銷榜長年不墜 轟動歐美的全方位音樂指南 愛樂人口耳相傳的床頭讀本 是工具書、科普書，更是沒有數學算式 以及複雜理論的音樂白皮書！ 　　只用一本書，道盡世上樂器的發聲原理 　　不必死背Do-Re-Mi，就能摸清音樂底細 　　也為你我揭曉：為何有些旋律永遠動聽！ 　　你喜歡音樂，但始終不得其門而入嗎？ 　　學過鋼琴、小提琴，甚至打擊樂器，但搞不清音樂／噪音有什麼不同嗎？ 　　喜歡唱歌，除了很大聲而且五音不全，該如何把握旋律、節奏與音準呢？ 　 　　其實，在音樂的創作過程中，自有其邏輯規範、工學和物理原理在背後支撐著；本書就是為了音樂「是什麼」和「為什麼」的問題解惑而生

的。 　　♦追根究底：樂音和噪音有何區別？ 　　對於音樂這回事，有些人會擔心懂得愈多、得到的樂趣愈少，但其實正好相反。瞭解一道費功夫的菜餚是如何料理出來的，反而會讓人更懂得如何享用，同時絲毫不減其美味。音樂這件事，亦是如此。 　　這本書能提供你，關於以下事項的充分理解： 　　為什麼巴哈的〈C大調前奏曲〉，和齊柏林飛船的〈Stairway to Heaven〉那麼像？ 　　聲音與噪音的差別究竟在哪裡？是什麼原因讓一個「音符」與其他聲響有所分別？ 　　當一個人發出完美音準時，該怎樣分辨出來？為什麼十把小提琴所能發出的音量，只有一把小提琴發聲時的兩倍？你手上的鮑布．迪倫（Bob Dylan）C

D專輯、黑膠唱片，或是數位流版本的音質比較好？為什麼指揮的薪水，是整個樂團當中最高的？是否非得去音樂廳，才能感受到完整的音樂？而大調不等於開心；小調不等於悲傷。長久以來人們之所以會這樣誤以為，完全是歌詞，加上人為因素造成的。 　　其實，世上絕大多數的人都不是音樂家，但大多數的人都喜歡聽音樂。 　　只是，什麼樣的音樂作品，會讓人想跳舞或哭泣？如何聽懂古典樂、爵士樂，這種愈來愈多人推崇的音樂。 　　大家都對音樂家的創作，究竟是即興，還是一場精心巧妙的策劃感到好奇。為了聽出背後的意圖，我們又該如何面對「音樂」這門學問呢？ 　　約翰．包威爾以同時身為「物理學家」和「音樂家」的身分，在這本充滿原創性

，對聲學深入詮釋的有趣指南當中，開啟了一條嶄新、明確、易於接受的愛樂捷徑。他以令人愉快的科學和心理學，描述在音樂表面之下的各種秘密，為我們揭示了鮮為人知的科學事實，和迷人音樂的背後故事；並以毫無術語、淺顯易懂的方式，隨著熱烈討論和聲、音色、音階、和弦、響度等名詞，以及音樂作品的背後意義，讓每位讀者都能充分理解箇中玄機，並且著迷不已。 　　♦讓不同類型的音樂進入生活，拓展你的音樂視野 　　你是音樂初學者？剛開始把手放在黑白琴鍵上練習彈奏，並想瞭解箇中原理嗎？你是資深愛樂人，每每想深入樂曲內涵，卻不得其門而入嗎？你是音樂科班出身，但苦於不知如何向身旁朋友說明繁瑣複雜的樂理知識嗎？其實，要讀懂樂譜

上的所有記號，就有如從頭學習一門新語言。 　　這本書所提供的方法，可以讓初學者提綱挈領、迅速掌握其中要訣；同時透過世上數一數二的音樂專家告訴你：並沒有所謂「音樂天分」這回事，彈奏樂器就像其他技能一樣，只要學就會了！ 　　本書以最淺白易懂的方式告訴你： 　　●如何搞懂圓舞曲、古典樂、爵士樂、搖滾樂，甚至是雷鬼音樂的拍子？ 　　●為何小提琴、大提琴、伸縮長號、法國號、低音管不適合20歲以上的人學習？ 　　●如何以最有效率的方式學會鋼琴或吉他？ 　　●如何選擇適合自己的樂器，開啟自己的肌肉記憶，讓音樂學起來事半功倍？ 　　●如何邁向演奏家或作曲家之路？ 　　♦開啟藏在你腦海當中，那扇音樂的大門

　　身為一名聽眾，你已對音樂有相當程度的了解，只是許多知識都深埋在潛意識中罷了。本書將盡力說明剖析這些知識，並希望能帶來一些「啊！原來如此！」恍然頓悟的感受： 　　●對於入門愛樂者來說： 　　你知道樂音跟各種噪音之間只存在一項簡單差異，用電腦就能加以辨別嗎？而「基頻和泛音」的組合又是如何影響音高和音調的表現？最後由：響度、時值、音色以及音高所組成的「樂音」，又是怎麼逐步造就出好聽的音樂？ 　　●對於進階的音樂學習者來說： 　　本書教你如何用10分鐘瞭解節奏、速度，以及拍子三者的關係，學會如何讀譜；並且瞭解在所有音樂的本體當中，是如何透過一個不斷重複的「噪音」，例如「砰」的鼓聲或「鏘」的鈸聲

，進而提供節奏，而不搶走音樂的風采。 　　●對於想瞭解更多的專業人士來說： 　　你知道過去的兩百年間，竟然同時採用了三種不同的「小調」；原因只是因為它們好聽；而最古老被紀錄下來的完整樂曲之一，竟然是古希臘的「搖滾樂」（Seikilos Epitaph）嗎？還在不久前，世界各國、甚至各城市間同一個音的「音高」本來都是不一樣的，今日全球統一採行的音符，則是後來經過謹慎挑選的產物──但問題是，當初是由誰來挑選的？又為什麼是這些音？ 　　為什麼身為亞洲人的我們，比較容易擁有「絕對音感」？而且大部分音樂技巧來自於訓練而非啟蒙；愈早開始訓練，技巧就愈好！ 　　♦如何分辨自己有沒有「絕對音感」？ 　　

●在不聽前奏的情況下。若每首歌的起音都正確，你就擁有絕對音感。 　　●若有些歌的起音是正確的，那麼你擁有的是部分絕對音感。 　　●若你認為自己都唱對了，但沒有其他人同意，那你應該去睡個覺，明天早上清醒時再試一次。 國內音樂人專業盛讚！（以下排列，依姓氏筆劃） 　　有了理性的認知，再加上感性的體會，欣賞音樂，從此不再是難事！──「愛樂電台」（Philharmonic Radio）資深節目製作及主持人 邢子青 　　音樂的學習是個觸類旁通的過程，從節奏、旋律、和聲、音色，到對位、曲式、結構、美學、歷史……等，對組成音樂的元素和面向有多一分了解，不但有助於演奏者掌握樂曲，也能為愛樂者增添聆賞的樂

趣。《好音樂的科學》從科學的角度書寫音樂的故事，將看似枯燥或艱深的樂理，化為充滿知性趣味的解密之旅，值得一讀。──「朱宗慶打擊樂團」創辦人暨藝術總監 朱宗慶 　　在科學的分析下，除了能夠對於聲音有更多的認識，也能更進一步地去佐證許多我們在聽音樂時認為是常識的事情。──《MUZIK古典樂刊》發行人 孫家璁 　　看了這本書後，彈吉他都可以感受到振動波傳出來啊！！──網路吉他教學名人 馬叔叔 　 　　音樂居然可以用這麼有創意的方式剖析，真是讓我刮目相看！──知名大提琴家 張正傑 　 　　配合解說與圖表，讓你知其然也知其所以然的音樂書！──倫敦國王學院音樂學院博士、資深專欄作家 焦元溥 　　這音

樂好好聽！但什麼叫做好聽？本書解答了聽音樂的人想問但不問的秘密。──「PanSci泛科學」總編輯 鄭國威 　 　　不少物理學家都對音樂有濃厚的興趣，愛因斯坦拉小提琴自娛，荷姆赫茲在音樂心理學與聲學領域做出偉大貢獻。而在音樂教育方面，作曲家暨物理學家包威爾展現了平易近人的文字魅力，對於音樂科學充滿好奇的人，必然不能錯過這本書。──「臺大音樂學研究所」副教授 蔡振家 　　一本能讓左右腦均衡發展的好書，讓我瞭解：原來學音樂，也可以很科學！──《PAR表演藝術》雜誌總編輯 黎家齊 國外媒體好評不斷！ 　　通過閱讀本書，可以加強自己的音樂基礎；經由更紮實的知識，讓我們能更好地欣賞音樂本身。──《紐

約圖書雜誌》編輯 阿曼達．馬克 　　任何熱愛音樂的讀者，如果不知道為何自己會對音樂如此著迷的內在原因，只要往技術方面進行探索一定會找到結果。本書即是這樣的徹底研究：時不時在陳舊的底漆之上，會跳出嶄新的啟示。──《旁觀者月刊》編輯 詹姆斯．沃爾頓 　　音樂是怎樣的，以及為什麼是這樣的？在此提供了非常詳實的討論......同時以清晰的邏輯呈現給讀者以上資訊，即使是像我這樣的外行人都看得懂，最了不起的是，本書並不迎合或過於簡化該議題。簡單地說，這是我在這個議題上面見過最好的書。──《西雅圖郵報》特派員 格雷格．巴布雷克 　　在科學論文和讓人哈哈大笑的評論之間，本書充分展現作曲家和物理學家的這種

獨特混合的優勢。包威爾...塑造出一個有趣的利基，也就是用幽默來讓原本枯燥的聲學介紹變得有趣好讀。這裡面是人人都該收藏的音樂習題以及一些有用的背景，讀者可以同時從中獲得無限樂趣。──《圖書館雜誌》編輯 巴里．薩斯洛 　　作者...採用易於遵循的對話式語言，帶領讀者進入音樂學...這是驚人的，只要按照包威爾的解說，只要在幾個小時後，即使是音樂新手（像我一樣），都可以開始「讀」音樂。原來音樂是一種語言形式，以前作為局外人的我們，大多數時候都以為它是梵文那樣複雜難解。──《科技圖書新聞》記者 菲利普．曼寧 　　包威爾──這位英國的學者和教授，在這本啟發人心的著作裡，提出了關於人們如何體驗音樂的理

論。本書選擇了最宏大的方式：也就是由所有與「音樂創作」有關學科著手舉例，並加入了他自己的獨到見解；書中包含了簡單的數學、物理、工程、歷史。 　　他在本書舉的例子當中，包含知名的古典神作：巴哈平均律〈C大調前奏曲〉和齊柏林飛船的〈Stairway to Heaven〉這兩首搖滾樂名曲並列比較。在前半本書中，所定義的音樂是由音調、頻率、和聲、節奏和分貝所組成；在該堅實基礎上，後半本書他成功證明了：音樂家是如何製作出品質良好的古典樂和流行音樂，以及我們究竟是如何「聽」跟「感受」音樂，而所有的一切都可以用科學來解釋。 　　即便包威爾是位科學家，但他在輸出這些材料時，選擇了以幽默生動的筆觸做呈現，也

讓本書讀起來不致於生澀乏味；書中有趣的故事例如：「分貝」發明於一間酒吧，在一個深夜裡，由醉酒電氣工程師組成的委員會，他們因為找不到舞伴，所以想對這個世界報復。全書充滿旁徵博引、豐富多元的資訊如：「當我們現在聽莫扎特的音樂時，我們其實聽到的，比他本來打算讓聽眾聽到的還高上半音」這些內容，即使在夜半捧讀起來也很有趣。──《出版人週刊》  

機器人制作晉級攻略

為了解決音量 混 音 程式 找不到 應用程式的問題，作者（美）庫克 這樣論述：

進階手冊，主要面向對機器人製作專業知識有一定瞭解的讀者。書中主要介紹以模組的形式製作機器人的方法，在介紹各個製作環節的過程中，你還可以學到機械製造、電子、微型控制器等方面的知識。 《機器人製作晉級攻略》適合初高中生、機器人非專業愛好者和初學者閱讀。 Davld Cook開辦了一個人氣很高的網站WWW.RobotRoorn.com，他和各位讀者分享其製作機器人的經驗已有十餘年的時間。他的兩本書均由Aptess出版。和其他的狂熱愛好者—樣，DavidCook的靈感來源於美國宇航局登陸火星的旅行者計畫。在白天的時候，DavidCook的工作是軟體發展。他的職業生涯是從為早期蘋果

公司的麥金托什電腦編寫了一些獲得獎項的電腦遊戲開始的。接下來，他創建並且運營了摩托羅拉公司為警官、急救醫師和消防員研發的公共安全應用程式。 目前，DavidCook在SmartSignal公司做開發經理。SmartSignal公司生產的是預測分析軟體，這款軟體可以偵聽分佈於全球的很多發電廠中的感應器。這款應用程式能夠在問題發生之前預警發電廠的工作人員。通過這款軟體，DavidCook和整個SmartSignal的團隊防止了停電事故的發生，降低了發電廠的運營成本，同時提高了他們的工作效率（這對環境是很有好處的）。 第1章 組裝一個調製信號的機器人 1 1.1 製造模組 1

1.1.1 拼裝嘟嘟機器人，或者不拼裝 1 1.1.2 章節的排布 2 1.2 要適應機械學的內容 3 1.2.1 儲備你自己的機械車間 3 1.2.2 觀察一個小型的銑床 4 1.2.2.1 使用銑床 5 1.2.2.2 承認對銑床的偏愛 7 1.3 把所有部件組裝起來 7 1.3.1 把機械的部分進行分組 7 1.3.2 把獨立電子元件模組進行分組 8 1.3.3 拼裝機器人並且完成測試 8 1.4 把部件和技術應用于其他機器人 8 第2章 比較兩種類型的家用電動機連接器以及避免常見的錯誤 10 2.1 比較兩種家用連接器的技術 11 2.1.1 測試望遠鏡管子式連接器 11 2.1.2

與穩固圓棒式連接器相對比 12 2.2 識別在連接器的鑽孔中的期待結果，還有常見的錯誤及其後果 13 2.2.1 把固定螺絲的孔洞與電動機連接杆的孔洞連接起來 14 2.2.2 排列孔洞的角度和孔洞的中心 14 2.2.2.1 接受孔洞和連接器機身的平行偏移 14 2.2.2.2 避免出現孔洞自身之間的平行偏差 15 2.2.2.3 避免出現孔洞自身之間的角度偏差 16 2.2.2.4 重新回顧望遠鏡管子的優點 17 2.3 準備好製造一個穩固圓棒的連接器 17 第3章 為連接器製造配件以及在穩固圓棒上面鑽孔 18 3.0 為鑽出位於中心的孔洞提供機械方面的提示 18 3.1 收集工具和部

件 18 3.2 為連接器準備好不同長度的穩固圓棒 19 3.2.1 測量電動機和十字軸 19 3.2.2 為連接器的機身選擇一個穩固的圓棒 19 3.2.2.1 計算連接器的長度 20 3.2.2.2 計算連接器的直徑 20 3.2.2.3 選擇連接器的材料 20 3.2.3 把穩固圓棒切割成連接器尺寸大小的部件 21 3.2.4 打磨連接器機身部件的兩端 22 3.2.5 把這些圓棒放置在一邊 24 3.3 製造一個連接器配件 24 3.3.1 切割連接器配件塊 25 3.3.2 鑽出連接器配件固定螺絲孔 27 3.3.3 用螺絲攻加工連接器配件固定螺絲的孔洞 27 3.3.4 在連接器配

件中鑽出連接器圓棒的孔洞 28 3.3.4.1 選擇鑽頭 28 3.3.4.2 解決深度問題 30 3.3.4.3 鑽孔 31 3.4 把金錢準備好 33 3.4.1 把過緊的裝配變大 33 3.4.2 給連接器配件添加一個固定螺絲 34 3.4.3 重新定位連接器的配件 34 3.5 在電動機連接杆和LEGO公司生產的十字軸連接器中鑽孔 34 3.5.1 更換鑽頭，而不要更換連接器圓棒 37 3.5.2 進行最後的一步：打磨端面 37 3.6 到目前為止，檢查一下連接器 37 第4章 完成穩固圓棒電動機連接器的加工 39 4.0 包括用螺絲攻加工孔洞和選擇固定螺絲 39 4.1 安裝連接器

的固定螺絲 39 4.1.1 確定連接器固定螺絲的位置 39 4.1.2 鑽出連接器固定螺絲的孔洞 40 4.1.3 用螺絲攻對連接器固定螺絲孔洞進行加工 41 4.1.3.1 選擇一種底部樣式的螺絲攻 41 4.1.3.2 與一個錐形樣式的螺絲攻進行對比 42 4.1.3.3 使用螺絲攻的技巧 42 4.1.4 選擇固定螺絲 43 4.2 添加LEGO公司生產的十字軸 44 4.3 總結 46 第5章 在輪子內部製造一個電動機 47 5.0 包括製造壓縮式相撲機器人的完美技術，機械加工圓形的部件（包括製造家用的輪子），使用階梯形材料塊，與不帶螺紋的孔洞匹配，而且要使用直徑非常大的鑽頭 47

5.1 遇到危險：前面有彎曲的連接杆 48 5.1.1 用軸承進行合適的驅動 48 5.1.1.1 防止顛簸和跌落 48 5.1.1.2 更換側向的連接器 49 5.1.1.3 在沒有支承的情況下發生彎折 49 5.2 製造一個輪轂適配型的連接器 49 5.2.1 把電動機連接杆外部的直徑與LEGO公司生產的輪子內徑匹配起來 50 5.2.2 僅僅是從連接器的圓棒開始 51 5.2.3 製造內部和外部的輪轂匹配型圓盤 52 5.2.3.1 選擇一個形狀 52 5.2.3.2 確定尺寸 52 5.2.3.3 選擇原材料 53 5.2.3.4 把原材料薄片切割成合適的尺寸 54 5.2.3.5

在直徑中心的孔洞中鑽好1/4英寸的孔洞 54 5.2.3.6 再問一次，為什麼要測量出尺寸超過所需要的金屬薄片呢？ 55 5.2.3.7 用旋轉平臺鑽出孔洞 56 5.2.3.8 在圓盤中鑽出螺絲孔 59 5.2.3.9 完成輪轂匹配型圓盤的內部和外部加工 61 5.2.4 去掉LEGO公司生產的輪轂中心 63 5.2.4.1 在加工的過程中緊固輪轂 64 5.2.4.2 選擇一個Silver&Deming型號的鑽頭 64 5.2.4.3 把輪轂中心的部分鑽掉 64 5.2.4.4 把輪轂中心的剩餘部分打磨掉 65 5.2.5 匹配部件，然後把它們黏接在一起 66 5.2.5.1 把外部的圓盤

與輪轂進行匹配，然後黏接 66 5.2.5.2 把內部的圓盤與圓棒進行匹配，然後黏接 66 5.2.5.3 等待膠水乾燥 67 5.3 總結 67 第6章 理解電子實驗過程中的標準和設置 69 6.0 包括閱讀電路圖，使用一個牆壁嵌入式電源，磨毛髮光二極體，理解硬體按鈕的反彈和理解表面貼裝技術 69 6.1 閱讀電路圖 69 6.1.1 連接導線 70 6.1.2 設計部件 70 6.1.2.1 標記字母的分配 70 6.1.2.2 標記數位的分配 71 6.1.3 標記部件 71 6.1.3.1 標記電阻 72 6.1.3.2 標記電容 73 6.1.3.3 標記發光二極體和紅外線發光二極

體 75 6.1.3.4 標記其他部件 76 6.1.4 標明電源 76 6.1.4.1 簡化正極電源電壓的標記 76 6.1.4.2 把接地點用符號表示從而簡化佈線 77 6.2 使用無焊接的麵包板 78 6.2.1 挑選一個無焊接的麵包板 78 6.2.2 搭建好一個無焊接的麵包板以與照片匹配 79 6.2.2.1 為無焊接的麵包板上電 80 6.2.2.2 選擇一個交流電源適配器 80 6.2.2.3 添加一些方便的設施 81 6.3 瞭解示波器上面的曲線 82 6.4 駕馭現代電子學的前沿時尚 83 6.4.1 越過學習曲線的障礙 83 6.4.2 不要使用過時的技術 83 6.4.3

使用表面貼裝的部件 84 6.4.3.1 壓縮表面貼裝部件的尺寸 84 6.4.3.2 告別穿透孔洞的部件 85 6.4.3.3 用表面貼裝部件進行工作 85 6.4.3.4 把表面貼裝部件轉換成穿透孔洞的部件 85 6.4.3.5 混合使用封裝技術，並且進行匹配 86 6.4.3.6 尺寸縮小到手工勞動級別以下 87 6.5 總結 87 第7章 製造一個線性電壓校正器電源 88 7.0 包括經典的5V7805，電池反接保護，低回動校正器，簡單但是改良過的電池反接保護，可變電源和頭對頭的匹配 88 7.1 瞭解電壓校正器 88 7.2 瞭解線性電壓校正器電源 89 7.2.1 7805型線

性電壓校正器 89 7.2.1.1 介紹一個基於7805型校正器的5V電源 90 7.2.1.2 搭建基於7805型校正器的電源 92 7.2.2 通過減小所需要的未校正的電壓，改進電源電路 94 7.2.2.1 用LM2940MCP1702或者LP2954替代7805型校正器 94 7.2.2.2 用一個功率場效應管替代1N5817型二極體 96 7.2.2.3 在較低的電壓下增加電阻 97 7.2.2.4 選擇一個電阻較低的p溝道功率場效應管 97 7.2.2.5 分析不同線性電壓校正器電路的最小輸入電壓 98 7.2.2.6 提供3個5V線性電壓校正器的輸入／輸出電壓結果 101 7.2

.3 在線性電壓校正器中考慮不同的因素 104 7.2.3.1 防止電池反接的保護 104 7.2.3.2 防止短路 104 7.2.3.3 防止熱超載 104 7.2.3.4 一個完整電路的簡化和低成本 105 7.2.3.5 消耗靜態電流 105 7.2.3.6 隔離功率和雜訊 105 7.2.3.7 為你的機器人選擇一款線性電壓校正器 107 7.2.4 改變市場環境就是限制5V線性校正器的選擇空間 108 7.3 繼續進行優化過程 109 第8章 進行機器人電源的改進 111 8.0 包括大容量電容器，快速關斷開關，爆炸性鉭電容，旁路／解耦合，過電流保護和過電壓保護 111 8.1

把輸入電容和輸出電容的數值提高 111 8.1.1 有了大容量電容之後，電池的壽命會增加 113 8.1.2 有了大容量電容之後，電源關閉會出現延遲 113 8.1.3 使用一個雙刀雙擲開關，以減小電源關閉的時間 114 8.1.4 選擇大容量電容 115 8.1.5 為鉭電容實現較高的安全富餘空間 116 8.2 添加神奇的電容 117 8.3 在電路板上面佈滿旁路／解耦合電容 117 8.3.1 旁路掉通住電源的較長通路 119 8.3.2 在每個源頭對雜訊進行解耦合 119 8.3.3 選擇旁路／解耦合電容 119 8.4 防止因為短路或者電流超載帶來的損害 120 8.4.1 判斷是否

必需電流超載保護 120 8.4.2 用保險絲進行保護 120 8.4.3 用一個手動重定電路斷路器進行保護 121 8.4.4 用一個固態自動重定的高分子聚合物正溫度係數電阻設備進行短路和電流超載的保護 121 8.4.4.1 大幅度增加電阻以大幅度減小電流 121 8.4.4.2 安裝高分子聚合物正溫度係數電阻電流超載保護設備 122 8.4.4.3 選擇高分子聚合物正溫度係數電阻電流超載保護 123 8.5 在校正後的電路中防止受到電壓超載的損害 125 8.5.1 介紹齊納二極體 125 8.5.2 利用齊納二極體在電壓超載的情況下短接電源 126 8.5.2.1 用電壓超載短路使電流

超載保護進入異常狀態 127 8.5.2.2 把這個組合中的一個成員去掉：齊納二極體會成為犧牲品而損壞 127 8.5.3 選擇一個合適的擊穿電壓 128 8.5.4 購買齊納二極體 128 8.6 把所有的部件組裝起來構成一個穩健的機器人電源 129 第9章 驅動電動機 130 9.0 包括所有的電動機模式，單晶體管電動機驅動器，二極體保護，雙極型H橋、邏輯晶片和微控制器 130 9.1 為什麼要使用電動機驅動器？ 130 9.1.1 在高於邏輯晶片可以提供的高電壓下運行電動機 131 9.1.2 在高於邏輯晶片可以提供的高電流下運行電動機 131 9.1.3 電動機雜訊會造成邏輯的錯誤

131 9.1.4 使用未校正的電源和校正後的電源對電動機進行供電的對比 132 9.2 展示電動機的4種模式 132 9.2.1 順時針旋轉 133 9.2.2 逆時針旋轉 134 9.2.3 自由旋轉／滑行（緩慢衰減） 134 9.2.4 制動／停止（快速衰減） 134 9.2.4.1 耗費更多的能量 134 9.2.4.2 通過快速衰減完成制動 135 9.3 用簡單的一個單一電晶體進行驅動 135 9.3.1 介紹NPN雙極型單一電晶體電動機驅動器電路 136 9.3.1.1 用電晶體進行開關控制 137 9.3.1.2 在電動機驅動電路中使用電晶體作為關／開的開關，而不是放大器 13

8 9.3.1.3 用電阻來限制基極電流 138 9.3.1.4 用二極體保護電晶體 139 9.3.2 實現NPN型雙極型單一電晶體的電動機驅動電路 139 9.3.3 介紹PNP雙極型單一電晶體電動機驅動器電路 140 9.3.4 實現PNP型雙極單一電晶體電動機驅動器電路 140 9.4 把NPN型電動機驅動器和PNP型電動機驅動器放在一起 141 9.4.1 把NPN型電動機驅動器電路和PNP型電動機驅動器電路組合起來 142 9.4.2 避免短路 142 9.5 經典的雙極型H橋 143 9.5.1 在H橋中實現順時針旋轉 144 9.5.2 在H橋中實現逆時針旋轉 145 9.5.

3 用一個H橋電氣制動器使電動機減速 145 9.5.4 用圖中的上方的電晶體進行制動 145 9.5.5 用H橋進行自由旋轉 147 9.5.6 列舉其他的H橋組合方式 147 9.5.7 實現經典的雙極型H橋 148 9.6 與圖中的上方的電晶體打交道 148 9.6.1 通過不校正邏輯晶片的方法而避免使用接合區 149 9.6.2 通過對H橋進行校正而避免使用接合區 149 9.6.3 通過一個NPN型電晶體完成與PNP型電晶體的接合 149 9.6.3.1 撥動開關 150 9.6.3.2 為R5選擇一個電阻數值 150 9.6.3.3 為雙極型電動機驅動器電路確定電壓的範圍 151

9.6.3.4 實現帶有NPN型接合的PNP型單一電晶體雙極型電動機驅動器 151 9.6.3.5 完成雙極型H橋 152 9.6.4 使用一個接合晶片 153 9.6.4.1 選擇4427型晶片 153 9.6.4.2 把4427型驅動晶片接合到H橋 153 9.6.4.3 選擇4427型驅動晶片或者一個類似的系列驅動晶片 154 9.7 掌握電動機的控制技術 155 第10章 驅動電動機 157 10.0 本章內容包括功率金屬氧化物半導體場效應管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTube，MOSFET）（以下簡稱“場效應管”）電動機的驅動，上拉電阻和下

拉電阻，重要電動機的直通、並行場效應管以及電動機驅動晶片的匹配（包括4427系列晶片、SN754410系列晶片和多功能的MC33887晶片） 157 10.1 用場效應管驅動電動機 158 10.1.1 對n溝道功率場效應管單晶體管電動機驅動電路的介紹 158 10.1.1.1 用電壓而不是電流來控制電晶體開關 158 10.1.1.2 一定要與場效應管的柵極相連 159 10.1.1.3 實現n溝道功率場效應管單晶體管電動機驅動電路 160 10.1.2 用電阻提供一個默認的輸入數值 160 10.1.2.1 通過上拉電阻把輸入的預設值設置成高電平 161 10.1.2.2 通過下拉電阻把輸

入的預設值設置成低電平 162 10.1.2.3 為上拉電阻或者下拉電阻選擇一個數值 162 10.1.2.4 在無電阻、上拉電阻或者下拉電阻中做出選擇 163 10.1.3 重新修正n溝道功率場效應管單一電晶體電動機驅動器電路以加入一個下拉電阻 164 10.1.4 實現n溝道帶有下拉電阻的功率場效應管單一電晶體電動機驅動器電路 165 10.1.5 介紹p溝道功率場效應管單一電晶體電動機驅動器電路 166 10.1.6 實現p溝道功率場效應管單一電晶體電動機驅動器電路 166 10.1.7 介紹功率場效應管H橋 167 10.1.7.1 向電路中添加肖特基二極體是可選的，但是我們推薦這麼做

167 10.1.7.2 實現功率場效應管H橋 168 10.1.7.3 接合到功率場效應管H 橋上面 168 10.1.8 選擇功率場效應管 172 10.1.8.1 我們需要減小開關電阻 173 10.1.8.2 意識到場效應管是有電阻的 174 10.1.8.3 加熱會增加場效應管的電阻 174 10.1.8.4 並聯場效應管可以降低電阻 174 10.1.8.5 對比並聯場效應管電晶體和並聯雙極型電晶體 176 10.2 用晶片驅動電動機 177 10.2.1 設想一下理想的條件 177 10.2.2 使用4427系列，作為獨立的電動機驅動器 178 10.2.3 在晶片上面使用經典

的雙極型H橋 181 10.2.4 介紹MC3387型晶片：一款功能豐富的場效應管H橋電動機驅動器 182 10.2.4.1 瞭解管腳 184 10.2.4.2 實現MC33887型H橋電動機驅動器 185 10.2.4.3 感知電動機的電流 187 10.3 評估電動機驅動器 189 10.3.1 評估電動機驅動器電流傳送性能 190 10.3.1.1 評估在非常輕的負載的條件下電動機驅動器電壓輸出 190 10.3.1.2 評估在負載適中的條件下電動機驅動器電壓輸出 191 10.3.2 評估電動機驅動器的效率 192 10.3.2.1 評估在負載很大的條件下電動機驅動器電壓輸出 192

10.3.2.2 評估在負載適中的條件下電動機驅動器電壓輸出 193 10.4 總結 194 第11章 製造一個紅外線模組的障礙、對手和牆壁探測器 195 11.0 包括松下公司生產的PNA4602M型38kHz的紅外線探測器，包括74AC14型雙色發光二極體驅動器，給出如何選擇紅外線發射機、選擇微調電位器、減小串擾和選擇電容的方法 195 11.1 用一個流行的模組探測調製信號的紅外線，或者另外一個跳到遠端控制的原因 196 11.1.1 介紹松下公司生產的PNA4602M型光積體電路 196 11.1.2 連接好PNA4602M型光積體電路 197 11.1.3 測試PNA4602M型光

積體電路 197 11.1.3.1 仔細觀察調製後的信號 198 11.1.3.2 更進一步地仔細觀察探測延時 199 11.2 通過包括一個發光二極體指示燈對探測電路進行擴展 199 11.2.1 添加一個74AC14型反向器晶片用來驅動發光二極體 199 11.2.2 檢查指示燈電路 200 11.2.2.1 用本地的電容對電源進行去噪 200 11.2.2.2 用一個高級的互補型場效應管邏輯晶片為發光二極體供電 200 11.2.2.3 用一個雙色發光二極體表明探測狀態和未探測狀態 201 11.3 完成反射探測器電路 203 11.3.1 檢查完整的反射性探測器電路圖 203 11.3

.1.1 產生38kHz的光波 204 11.3.1.2 發射38kHz的光波 204 11.3.2 在一個無焊接的麵包板上面實現38kHz的反射性探測器 205 11.3.2.1 為PNA4602M型光積體電路選擇一個紅外線發光二極體 205 11.3.2.2 購買一個合適的紅外線發光二極體 207 11.3.2.3 為R7和R6選擇電位器 207 11.3.2.4 選擇電容 208 11.4 使其正常工作 211 第12章 對反射性探測器進行精確調整 213 12.0 包括手動調整，插入紅外線洩漏點，用一個處於頻率模式的數位萬用表進行調整，用示波器進行調整，紅外線極限以及比較不同材料的距

離探測 213 12.1 調整到38kHz的頻率上 213 12.1.1 在探測到信號和探測不到信號之間選擇一個中間階段 214 12.1.1.1 從未表明探測到物體就說明發射機存在某種問題 214 12.1.1.2 總是表明探測到物體就說明信號存在洩漏 214 12.1.2 在頻率探測中使用數位萬用表 216 12.1.3 使用示波器 217 12.1.4 揭示使用施密特觸發器反向器的目的 217 12.1.5 診斷在電路調整過程中出現的問題 218 12.1.5.1 定位合理的頻率精確度 219 12.1.5.2 追求過分的頻率精確度 219 12.1.5.3 接受振盪器電路有限的精確度和

穩定度 219 12.2 反射性探測器的局限性 220 12.2.1 無法在室外工作，也無法在過亮的光照條件下工作 220 12.2.2 無法探測某些種類的物體 221 12.2.3 無法探測到特別遠處的物體，也無法探測到特別近的物體 221 12.2.3.1 把你的距離和我的距離進行比較 222 12.2.3.2 分析距離的結果 222 12.2.4 無法提供距離範圍的數值 224 12.3 為一個實用性的機器人應用場景做好準備 224 第13章 嘟嘟機器人 225 13.0 製造無意識的房間探險者，把模組連接起來，用邏輯晶片進行控制，重新利用三明治機器人，製造機身部件的範本，使用節省空間

的並聯偏置電動機，交換齒輪，鑽一摞電動機安裝點，選擇滑行器 225 13.1 檢查嘟嘟機器人 226 13.2 從兩側觀察嘟嘟機器人 226 13.3 從頂部和下方觀察嘟嘟機器人 227 13.4 嘟嘟機器人的電路部分 227 13.4.1 供給電源 228 13.4.2 用簡單的邏輯控制方向 229 13.4.3 向左轉和向右轉 230 13.4.4 逐漸向左轉和逐漸向右轉 231 13.4.5 避免出現紅外線洩漏 231 13.5 製造嘟嘟機器人的機身 232 13.6 聲明警告因為齒輪電動機的可用性 232 13.6.0 在嘟嘟機器人中使用精確的脫身齒輪電動機 233 13.7 傾向於一

些特定的屬性 234 13.8 設計機器人的機身 235 13.8.1 製造範本 235 13.8.2 列印範本 236 13.8.3 連接範本 236 13.8.4 在工件中調整範本 237 13.8.5 購買孔洞，以提升中心定位的性能 237 13.8.6 在機械加工工件的直邊時，去除護帶 238 13.9 製造嘟嘟機器人的中心平臺 239 13.9.1 用銑床加工一個圓盤或者購買一個圓盤 239 13.9.2 在嘟嘟機器人的中心平臺安排好螺絲孔洞，再用螺絲攻進行加工 239 13.10 檢查嘟嘟機器人的電動機機械原理 240 13.10.1 使用匹配的矩形電動機安裝方案 240 13.1

0.2 選擇摩擦匹配的電動機或者使用固定螺絲 241 13.10.3 用螺絲固定電動機 241 13.10.4 連接到LEGO公司生產的齒輪和輪子上面 242 13.11 選擇LEGO公司生產的輪子 242 13.11.1 把無用齒輪放置在輪子的中心 243 13.11.2 減慢速度並且增加扭矩 243 13.11.3 增加速度並且減小扭矩 244 13.11.4 用滑輪而不是齒輪調整速度和扭矩 244 13.12 達到LEGO生產的移動部件的物理極限 245 13.13 製造嘟嘟機器人的電動機固定點 246 13.13.1 確定電動機固定點的尺寸 246 13.13.2 準備原材料 246

13.13.3 選擇現成的材料，而不是用銑床加工 247 13.13.4 同時鑽好所有的電動機固定點 247 13.13.4.1 把這一摞材料放置在老虎鉗上，要留有額外的餘地 248 13.13.4.2 放置鑽頭 248 13.13.4.3 鑽出3個孔洞 249 13.13.4.4 準備鑽出更大的電動機的孔洞 249 13.13.4.5 放置好直徑較寬的鑽頭 250 13.13.4.6 鑽出電動機的孔洞 250 13.13.5 鑽出孔洞用來把電動機的固定點固定在中心平臺上面 251 13.13.5.1 選擇部分鑽透的帶螺紋的電動機固定點螺絲孔洞 251 13.13.5.2 選擇完全鑽透的不帶螺

紋的電動機固定點螺絲孔洞 252 13.13.5.3 沿著螺絲頭滑動 252 13.13.5.4 鑽出電動機固定點的螺絲孔洞 253 13.13.5.5 鑽出部分穿透的電動機固定點孔洞 254 13.13.6 展現出最終完工的電動機固定點 254 13.14 總結嘟嘟機器人 255 第14章 測試嘟嘟機器人的行進性能 256 14.0 完成安全性檢查，耗盡電能，測量電路的電阻，監測電流和常見的問題以及解決方案，設計障礙物路線，避免致命的卡住狀態，理解高光束的滯回現象，以及使用短接跳線 256 14.1 為測試性行進做好準備 256 14.1.1 把所有的控制端都移動到安全或者適中的位置 25

6 14.1.2 每次測試一個模組 257 14.1.3 測量整個電路的電阻 257 14.1.3.1 耗盡電源 257 14.1.3.2 測量電阻 258 14.1.3.3 電阻的數值過低 259 14.1.3.4 電阻的數值過高 259 14.1.4 把機器人放置在LEGO公司生產的積木上面 259 14.1.5 檢查電池的電壓和極性 260 14.1.6 在開啟的時候觀察電流的消耗 260 14.2 準備好機器人，並且修正小的錯誤 261 14.2.1 精確調節紅外線反射性探測器 261 14.2.2 反轉紅色發光二極體 261 14.2.3 測試感測器 262 14.2.4 搞混電動機

的連接方式 262 14.3 評估嘟嘟機器人的性能 263 14.3.1 在測試行進的過程中遇到了問題 263 14.3.1.1 遇到機器人反轉的問題 263 14.3.1.2 遇到機器人卡住的問題 263 14.3.1.3 遇到機器人移動緩慢的問題 264 14.3.1.4 遇到機器人移動過快的問題 264 14.3.1.5 遇到機器人不斷旋轉的問題 265 14.3.2 實踐所有的機器人的功能 266 14.3.3 挑戰嘟嘟機器人 266 14.3.3.1 避免使用廁紙軌道 267 14.3.3.2 換成使用木塊作為軌道 267 14.3.3.3 環繞機器人 268 14.4 機器人被卡住

268 14.4.1 評估這種醉漢式的行進方式 269 14.4.2 評估嘟嘟機器人的行進方式 269 14.4.3 減小探測的模糊性 270 14.4.3.1 試著使用一個電阻—電容電路 270 14.4.3.2 試著使用一個遠光燈滯回 271 14.4.3.3 用一個多管腳的雄頭重新引導信號和控制端 274 14.4.3.4 簡單的想法用完了 275 第15章 如果我只有一個控制中樞 276 15.0 包括Atmel公司生產的ATiny84型微控制器，微控制器和邏輯晶片的對比，如何對微控制器進行程式設計，一個簡單的發光二極體的示例，七段發光二極體數碼管，輸入端（數位信號、類比信號、中斷

、重定、上拉電阻和下拉電阻）、輸出端（避免毛刺、高電流、脈衝寬度調製、串列通信）、單一紅外線探測器、記憶體、速度、時鐘、計時器、看門狗電路以及選擇微控制器的標準 276 15.1 考慮Atmel公司生產的ATtiny84型微控制器作為一個示例 277 15.2 對比微控制器和邏輯晶片 277 15.2.1 選擇邏輯晶片優於微控制器的情況 277 15.2.2 選擇微控制器優於邏輯晶片的情況 278 15.3 對微控制器進行程式設計 279 15.3.1 存儲程式 279 15.3.2 估計程式的存儲量 280 15.3.3 編寫程式 280 15.3.4 在沒有.NET的條件下工作 281 1

5.3.5 編譯器和下載程式 281 15.3.6 偵錯工具 282 15.3.6.1 點亮發光二極體 282 15.3.6.2 改變一個管腳 283 15.3.6.3 完成一次心跳 284 15.3.6.4 驅動一個顯示幕 285 15.4 探索常見的微控制器功能 286 15.4.1 微控制器的封裝 286 15.4.2 微控制器的管腳 287 15.4.2.1 輸入管腳 287 15.4.2.2 輸出管腳 289 15.4.3 微控制器的記憶體 293 15.4.3.1 非揮發性的記憶體 293 15.4.3.2 用外部的非揮發性記憶體進行補充 293 15.4.3.3 揮發性的記憶體

294 15.4.4 微控制器指令的尺寸 295 15.4.5 微控制器指令的複雜度 296 15.4.6 微控制器的速度 296 15.4.6.1 比較時鐘的速度 296 15.4.6.2 產生一個時鐘信號 297 15.4.6.3 把時鐘作為計時器來使用 298 15.4.7 特殊的看門狗 299 15.4.8 低電壓的看門狗 300 15.5 選擇微控制器 300 15.5.1 用完了 300 15.5.2 推薦Atmel公司生產的AVR8—bit微控制器 301 15.5.3 推薦Parallax公司生產的BASICStamp 302 15.5.4 問問周圍的人 303 15.6 你的

機器人製造好了 303 第16章 製造嘟嘟機器人的子板 304 16.0 包括連接兩個並行的電路板，使用機械管腳插口，選擇螺絲，重新加熱焊接點，攔截輸入端用來重新引導控制信號，軟體去反彈，使用雙列直插式開關，以及實現擴展介面 304 16.1 轉換成一個雙層的配置結構 305 16.1.1 連接到雙列直插式的插口上面 306 16.1.1.1 使用機械管腳的介面和頂座 307 16.1.1.2 把子板固定在主機板上面 308 16.1.1.3 焊接頂座 310 16.1.1.4 焊接新的雙列直插式介面 312 16.1.2 到達主機板有一定的困難 313 16.1.2.1 重新放置電源開關

314 16.1.2.2 冒險進行堆放介面的工作 314 16.1.2.3 遮擋紅外線反射性探測器 314 16.2 攔截信號：遇到了新的控制中樞 316 16.2.1 保留有價值的功能 316 16.2.2 重新跟蹤紅外線探測信號 316 16.2.3 捕捉並擾亂停止的狀態 317 16.2.4 重新跟蹤電動機和雙極型發光二極體的控制信號 318 16.2.5 產生（幾乎）完整的控制信號 318 16.3 擴展功能 318 16.3.1 檢查微控制器的管腳 318 16.3.2 為微控制器上電 319 16.3.3 探測牆壁和障礙物 319 16.3.4 控制電動機和雙色發光二極體 320

16.3.5 控制雙極型發光二極體 320 16.3.6 讀出按鈕的數值 320 16.3.6.1 解振盪一個輸入端 321 16.3.6.2 把按鈕添加到子板上面 322 16.3.7 提供雙列直插式開關的選擇 323 16.3.7.1 通過軟體解振盪 323 16.3.7.2 避免時斷時續的開關變化 324 16.3.8 製造音樂 325 16.3.9 剩下的管腳可以進行擴展 325 16.3.10 與其他的模組或者電腦進行通信 325 16.4 升級機器人 326 第17章 添加地面感測器的模組 327 17.0 包括光電阻、分壓器、光強計、TAOSTSL257型光線至電壓的放大光二極

體積體電路、半環形麵包板、擋板、沿路線行進的演算法、機器人相撲的建議 327 17.1 用光電阻感知亮度 327 17.1.1 把不同的電阻通過分壓器轉換成不同的電壓 328 17.1.1.1 為分壓器選擇一個電壓 329 17.1.1.2 為分壓器選擇一個電阻 330 17.1.1.3 保持在光電阻額定最大散熱功率以下 330 17.1.2 光電阻的回應是非線性的 331 17.1.2.1 畫出一個特定的光電阻的響應的圖像 332 17.1.2.2 計算靈敏度 332 17.1.2.3 在一個給定的光照條件下計算任何阻值 332 17.1.3 認識到不同的光電阻之間的不一致性 333 17.

1.3.0 測量不同 333 17.1.4 電阻上升和下降的速度 333 17.1.5 重新利用平衡式亮度傳感電路 335 17.2 用一個光二極體積體電路感知亮度 335 17.2.1 給出地面反射性電路 335 17.2.2 實現地面反射性電路 336 17.2.2.1 切割出一個半圓形的麵包板 337 17.2.2.2 遮擋電路板 337 17.2.2.3 安裝上一個黑色的邊緣 338 17.2.2.4 取出LEGO公司生產的積木的中心 339 17.2.2.5 調整並且測試地面反射性電路 340 17.2.2.6 在一個最大化反射表面調整到剛好低於5V 340 17.2.2.7 在一個

最小化反射性的表面進行測試 341 17.3 沿路線行進 341 17.3.1 路線亮度的自動探測 342 17.3.2 讀取地面感測器的數值 342 17.3.3 反轉感測器的數值 342 17.3.4 沿著暗色的路線行進 343 17.3.5 在暗色的路線上定位到中心 343 17.3.6 改進沿路線行進的演算法 344 17.4 在機器人的相撲比賽中競爭 344 17.4.1 在機器人相撲比賽中讓嘟嘟機器人就位 345 17.4.2 在雙列直插式開關的設置上採取策略 346 17.5 擴展可能性 346 第18章 呈上一頓機器人的大餐 347 18.0 包括LM386型音訊放大器，通過

脈衝寬度調製的音樂，嘟嘟機器人的升級片，角度電動機的安裝以及更多，平滑的輪子，彈簧管子晶須，杠杆開關和無線視頻 347 18.1 製造音樂 347 18.1.1 給出音訊電路 348 18.1.2 實現音訊電路 348 18.1.3 調整音量 348 18.1.3.1 監聽二進位的信號 349 18.1.3.2 增大音量 349 18.1.4 驅動一個揚聲器 350 18.1.4.1 選擇一個揚聲器 350 18.1.4.2 選擇一個音訊放大器的晶片，而不要選擇一個簡單的電晶體 350 18.1.5 看到聲音的波形 351 18.1.6 播放一個音符 351 18.1.7 播放一個音調 352

18.1.7.0 在機器人運動的時候同時播放樂曲 353 18.2 按比例增長 353 18.2.1 製造一個雙平臺 353 18.2.2 來回滑動 354 18.2.3 用家用的墊圈提供更大的頭部空間 355 18.2.4 輪子插口 355 18.2.5 支撐十字軸的兩端 356 18.3 安裝電動機 357 18.3.1 利用角度材料安裝電動機 357 18.3.1.1 購買鋁制角度材料 358 18.3.1.2 準備好合適的材料長度 358 18.3.1.3 用一個範本鑽出孔洞 359 18.3.1.4 故意留有迴旋餘地，具體方法是鑽出無螺紋的尺寸偏大的孔洞 359 18.3.2 用合

適角度的齒輪節省空間 360 18.3.2.1 凹痕和凹槽 360 18.3.2.2 插入輪子的輪軸 360 18.3.2.3 減小摩擦 361 18.3.2.4 把驅動鏈路放置在機器人的機身中 361 18.3.3 改裝一個直徑較小的電動機連接杆和集成安裝點，用來與LEGO公司生產的部件相容 362 18.3.3.1 調整齒輪電動機的連接杆 362 18.3.3.2 打磨連接杆 362 18.3.3.3 添加管子 363 18.3.3.4 用一個基於銷子的安裝點連接電動機 364 18.4 漫遊到太陽能機器人的領域 365 18.4.1 選擇可以平穩行駛的輪子 365 18.4.2 探測障礙

物 366 18.4.2.1 尋找光和感知陰影 367 18.4.2.2 用細須感測器試探性地向四周行進 367 18.4.2.3 使用彈簧管子 367 18.4.2.4 杠杆開關 368 18.5 從機器人的角度考慮一些問題 370 18.5.1 給任何一個現存的機器人添加一個無線的攝像機 370 18.5.2 用無線攝像機探索四周 371 18.5.3 你自己用無線攝像機進行探索 371 18.6 謝謝 371 附錄 互聯網上的參考資料 372