Learning Objectives
- 說明感測器怎麼把溫度、光線這類物理量變成電壓或數字
- 分辨解析度、準確度與重複性，說明讀值為什麼會跳動
- 用移動平均減少雜訊，並說明視窗大小與反應速度的取捨
- 用兩個已知的點校正感測器，把原始讀值換算成有意義的單位
感測器：把世界變成數字
微控制器只看得懂電壓。感測器（sensor）的工作，是把溫度、光線、距離、濕度這些物理量，轉成電壓或數字。
常見的轉換方式：
| 感測器 | 物理量怎麼變成訊號 | 輸出 |
|---|---|---|
| 光敏電阻（LDR） | 光線越強，電阻越小 | 類比：接成分壓電路，用 ADC 讀電壓 |
| 熱敏電阻（NTC） | 溫度越高，電阻越小 | 類比：同上，但電阻和溫度不是直線關係 |
| 電容式土壤濕度 | 土壤越濕，電容越大，模組輸出的電壓改變 | 類比 |
| DHT22、TMP102 | 晶片內部量好、轉好 | 數位：單線協定、I2C（上一課） |
類比輸出的感測器多半是「電阻會變」，所以要和一顆固定電阻組成分壓電路（第 04 課），把電阻的變化變成電壓的變化，再交給 ADC 轉成數字。 ESP32 的 ADC 是 12 位元：0～3.3V 對應 0～4095，每一格大約 0.8 mV。
讀規格時常見的名詞
- 量測範圍：能量的最小值到最大值，例如 −40～80°C。
- 解析度：能分辨的最小變化，例如 0.1°C。解析度高不代表準。
- 準確度：量到的值和真實值差多少，例如 ±0.5°C。
- 重複性：同樣的條件量很多次，結果一不一致。
- 反應時間：環境改變後，讀值多久才跟上。
解析度和準確度常被混在一起：溫度計顯示到小數點後兩位（解析度高），但整體偏高 2°C（準確度差），一樣不能用。
讀值為什麼會跳動
把感測器放著不動，連續讀 ADC，數字還是會跳。原因很多：
- 電源電壓本身的小波動（馬達、Wi-Fi 傳送時特別明顯）
- 導線像天線一樣，收到附近電器的干擾
- ADC 的量化：連續的電壓被切成一格一格，剛好在兩格中間時會來回跳
- ADC 本身的誤差：例如 ESP32 的 ADC 在接近 0V 與接近最大量測值時不太線性，量測時盡量讓訊號落在中間的範圍
硬體上可以在 ADC 腳位加一顆小電容濾波（第 07 課的 RC），程式上最常用的是平均：
| 方法 | 做法 | 特色 |
|---|---|---|
| 一次讀多筆取平均 | 連續讀 10 次，加起來除以 10 | 簡單，但每次都要花讀 10 次的時間 |
| 移動平均 | 只保留最近 N 筆，每讀一筆就丟掉最舊的一筆 | 每次只讀一筆，結果平滑；N 越大越平滑，反應也越慢 |
| 中位數 | 最近 N 筆排序後取中間那一個 | 偶爾出現一個離譜的值時，幾乎不受影響 |
平滑和反應速度是取捨：視窗越大，雜訊越小，但真的改變發生時，平均值要更久才跟上。
逐步看：移動平均
光線其實沒有變，但讀值在 1800～2300 之間跳動。看串列 window 怎麼保持最近 4 筆，以及平均值比讀值穩定多少。
校正：把讀值換成有意義的單位
ADC 讀到 2538，代表土壤多濕？要先校正（calibration）：用已知的狀態，找出「讀值」和「真實值」的對應。
同一款感測器，每一顆、每一種接法讀到的數字都可能不一樣，所以校正要用你手上的那一顆做。 最常見的是兩點校正：量兩個已知的狀態，中間用直線換算。
土壤濕度感測器：
放在空氣中（0%） 讀到 3200
插進水裡（100%） 讀到 1400
濕度 =（3200 − 讀值）÷（3200 − 1400）× 100
兩點校正同時修正了兩件事：零點（偏移，offset）和斜率（每一單位讀值代表多少，gain）。
注意事項：
- 校正要有可信的參考：校正溫度要用準確的溫度計對照，不能用另一個沒校正過的感測器。
- 兩點校正假設感測器是直線的。熱敏電阻、光敏電阻不是直線，要用規格書的公式（例如熱敏電阻的 B 值公式）或查表，或多量幾個點分段換算。
- 超出兩個校正點的範圍，誤差可能變大；換算結果最好限制在合理的範圍內。
逐步看：土壤濕度的兩點校正
DRY 和 WET 是事先量好的兩個校正點。花盆裡的土慢慢被澆濕，看原始讀值怎麼換算成 0～100% 的濕度。 這款感測器越濕讀值越小，所以公式是用 DRY 減去讀值。
小測驗：感測與雜訊
光敏電阻和一顆固定電阻組成分壓電路接到 ADC。光線變強時，ADC 量到的是什麼在改變？
下面的程式計算最近 4 筆的移動平均，會印出什麼？
readings = [500, 520, 900, 510, 490]
window = readings[-4:]
print(sum(window) // len(window))
一支溫度計顯示到小數點後兩位，但和標準溫度計比，一直多了 2°C。這支溫度計：
小測驗：校正
用本課的兩點校正，讀到 2300 時濕度是多少？
DRY, WET = 3200, 1400
raw = 2300
print(round((DRY - raw) / (DRY - WET) * 100))
同一款的兩顆感測器，為什麼要各自校正？
讀值大多很穩定，但偶爾會出現一筆 4095 這種離譜的錯誤值。哪一種處理最不受這筆錯誤值影響？
重點整理
- 感測器把物理量轉成電訊號；電阻型感測器接成分壓電路，用 ADC 讀電壓。
- 解析度是能分辨多細，準確度是和真實值差多少，重複性是多次量測一不一致。
- 讀值跳動來自電源、干擾與 ADC 的量化；用移動平均、中位數讓讀值穩定，視窗越大越平滑也越慢。
- 兩點校正用兩個已知的狀態，同時修正零點與斜率；非線性的感測器要用公式、查表或分段。
下一課換一塊開發板：micro:bit 內建 LED 點陣、按鈕與加速度計，用 MicroPython 馬上就能做出互動作品。