基于Arduino的全反射實驗系統(tǒng)設(shè)計

單旭晨，齊曉巖，宋曉丹，2，馬 宇，莊沁融，劉書鋼

基于Arduino的全反射實驗系統(tǒng)設(shè)計

單旭晨1，齊曉巖1，宋曉丹1，2，馬 宇1，莊沁融3，劉書鋼1

（1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.九州外國語學(xué)院，日本福岡；3.臺灣國立東華大學(xué)，中國臺灣 花蓮）

文中以Arduino為基礎(chǔ)平臺構(gòu)建出水導(dǎo)光全反射教學(xué)系統(tǒng)，極大地提高了課堂的互動性。同時，通過無線圖像傳輸系統(tǒng)可以在課堂上直播教學(xué)過程，使學(xué)生對實驗有更直觀的認(rèn)識和理解。該系統(tǒng)主要包括光學(xué)全反射系統(tǒng)、控制反饋系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)等板塊。系統(tǒng)可以實現(xiàn)課堂創(chuàng)新、課堂實驗、課堂直播等功能，有利于提高學(xué)生的興趣，同時，對學(xué)生的學(xué)習(xí)和老師的教學(xué)有很好的輔助作用。

全反射；Arduino控制器；超聲測距；光耦；無線攝像

Arduino是一款應(yīng)用廣泛靈活、硬件連接方便，軟件編寫簡潔的基于單片芯片控制的開源開發(fā)平臺［1］，是意大利Ivrea一家高科技設(shè)計學(xué)校Massimo Banzi老師的杰作。他的學(xué)生們經(jīng)常抱怨找不到便宜好用的微控制器，在2005年冬天，Massimo Banzi同David Cuartielles討論了這個問題，他們很快設(shè)計出一個微控制器——Arduino。由于Arduino經(jīng)濟(jì)實用、簡單易學(xué)，使得Arduino一經(jīng)出現(xiàn)，便迅速在歐洲傳播開來，深受電子愛好者和藝術(shù)發(fā)明家的喜愛。而當(dāng)時的中國，還沒有對Arduino引起足夠的重視，了解它的人較少，發(fā)展也比較緩慢，不過，近幾年Arduino已經(jīng)逐漸走入國內(nèi)電子愛好者的視線，甚至有高校已經(jīng)用Arduino來進(jìn)行教學(xué)實驗。Arduino硬件開發(fā)板集成度高［2］、接口集中方便，軟件基于C語言［3］，使Arduino的學(xué)習(xí)與應(yīng)用非常方便，更由于Arduino為開源平臺，使其發(fā)展、完善迅速，即使從未接觸過Arduino的人，也可以非常輕松地學(xué)習(xí)并利用Arduino實現(xiàn)很多現(xiàn)實生活中的簡單應(yīng)用甚至開發(fā)［4］。

基于Arduino系統(tǒng)，以教學(xué)儀器小型化、直觀化為目標(biāo)，設(shè)計了一套以教學(xué)為目的的小型光機(jī)電一體化教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在以Arduino為基礎(chǔ)的控制平臺上，搭建光學(xué)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)光、機(jī)、電一體化。利用控制器通過弱電和機(jī)械控制光學(xué)實驗，不但在操作精度上具有明顯優(yōu)勢，也可以在一些不適合人工操作的場合發(fā)揮巨大作用。

1 Arduino的開發(fā)環(huán)境

Arduino控制器的應(yīng)用主要為外部信號的傳感檢測、信號的轉(zhuǎn)化、信息的傳遞以及電路的控制。由于硬件內(nèi)嵌了A/D轉(zhuǎn)化芯片，它可以利用各種模塊化的傳感器，很輕松地將聲、光、力、熱、磁等信息轉(zhuǎn)化為電信號供自身采集與處理，處理后的信號可以通過USB口、串口和無線通信進(jìn)行信息傳遞。最后，系統(tǒng)將傳遞信號變成控制外部器件的電壓輸出。各部分經(jīng)過合理的組合，便可編譯出適應(yīng)任何場合的系統(tǒng)。

Arduino的硬件是很強(qiáng)大的開源平臺［5］，其與傳感器、PC端交互信號非常方便。Arduino的官方網(wǎng)站可以下載操作系統(tǒng)相應(yīng)版本的IDE［6］。在Tools的Board中設(shè)置Arduino板子的型號，在Tools的Serial Port里設(shè)置連接的COM口號，設(shè)置完畢后，可以看到右下角顯示已經(jīng)連接到的COM口和Arduino的型號。

Arduino語言是建立在C和C++語言基礎(chǔ)上的一門更為簡潔的語言［7］，Arduino語言中數(shù)據(jù)類型、關(guān)鍵字、運算符等基礎(chǔ)語句與C語言完全相同。

2 基于Arduino的全反射光學(xué)系統(tǒng)

全反射光學(xué)系統(tǒng)起源于丁達(dá)爾水桶流光實驗。目前，國內(nèi)大多數(shù)人用水瓶原樣模擬此實驗，也有使用水龍頭作為水源的大型全反射系統(tǒng)，但全反射效果均不明顯。為了讓所有學(xué)生在課堂上更好地學(xué)習(xí)、觀察光學(xué)全反射實驗，設(shè)計了本套全反射實驗系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)流程如圖1所示。本系統(tǒng)是目前國際上唯一用水泵和傳感器反饋控制水面，并得到全反射圖像最清晰、反射次數(shù)最多的系統(tǒng)。通過Arduino控制器將測距模塊、光耦模塊的測量反饋信號進(jìn)行處理并分析，通過控制水泵實現(xiàn)水平面的平衡，達(dá)到水流平穩(wěn)的目的，同時，采用大功率激光器，減少水中雜質(zhì)對光線散射的影響。

本實驗系統(tǒng)分為三個部分：全反射系統(tǒng)、控制反饋系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。全反射系統(tǒng)把一束激光器發(fā)出的激光射在灌滿水的容器的出水口處，光會沿著水流通過全反射傳播（原理類似于光纖）；控制反饋系統(tǒng)的處理核心是一個通過藍(lán)牙無線控制的Arduino控制器，還包括勘測水位高度的光耦合超聲測距模塊，由水泵和電磁閥構(gòu)成的水位平衡系統(tǒng)；圖像傳輸系統(tǒng)是為了實現(xiàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)同步教學(xué)而設(shè)計的，主要由無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭實現(xiàn)。在做實驗時，可以將攝像頭固定好，通過測距模塊測量到拍攝物之間的距離，使其連接的變焦透鏡改變焦距，得到清晰的圖像，再將圖像傳送到電子投影上，掃描范圍比以往更大，圖像更清晰，可以讓所有學(xué)生身臨其境地觀察實驗的每個細(xì)節(jié)。在不遠(yuǎn)的將來，還可將上課視頻同步直播到校園網(wǎng)。整套攝像設(shè)備被放在小車上，除做教學(xué)攝影外還可以進(jìn)行無人勘測。

圖1 實驗系統(tǒng)流程圖

圖2 全反射光學(xué)系統(tǒng)模擬圖

全反射系統(tǒng)利用一個盛水容器，在前方開孔讓水流出，開孔大小與水流速度有關(guān)，所以大小應(yīng)適中。注意實驗用水最好為熟水，因為生水會有大量小氣泡，不適合光線在水中傳播。激光器的波長對實驗影響不是很大，但為了實驗效果明顯，光強(qiáng)要達(dá)到一定的強(qiáng)度，確?？吹角逦?、明顯的實驗效果。在Arduino的測距返回與光耦的保護(hù)電路均可以按照預(yù)想設(shè)計執(zhí)行，當(dāng)水位小于4 cm即達(dá)到光耦處，水泵停止抽水，以防止破壞整套系統(tǒng)設(shè)施。從圖3可以看出，光在水流中產(chǎn)生了很清晰的全反射光線，且一直跟隨水流進(jìn)入到水槽中，說明光從水入射到空氣的時候，在角度合適的情況下發(fā)生了全反射。

控制反饋系統(tǒng)的工作思路是，通過HC－SR04超聲測距傳感器來確定水位高度，檢測水位信號，當(dāng)水位沒達(dá)到設(shè)定高度時，用Arduino控制水泵加速抽水；當(dāng)達(dá)到設(shè)定水位高度時，減速抽水，直至達(dá)到理想水位。同時，光耦放在警戒高度，當(dāng)水位達(dá)到光耦所處高度時，由于水的折射率和空氣不同，導(dǎo)致接收端接收不到發(fā)射端發(fā)出的光信號，從而在Arduino返回水位超過警戒的信號，反向抽水，使水位下降。由于整套系統(tǒng)中需要水泵雙向抽、放水，而目前還沒有虹吸式雙向水泵，所以，利用一個單向水泵和四個電磁閥設(shè)計了一套單向水泵雙向抽水系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 全反射光學(xué)系統(tǒng)實驗圖

圖4 水平衡系統(tǒng)示意圖

圖4 中可以看出，當(dāng)1、3電磁閥打開的時候，2、4電磁閥關(guān)閉，此時水泵單向從右向左抽水；當(dāng)打開2、4電磁閥，關(guān)閉1、3電磁閥的時候，水泵方向不變，但此時變成了從左向右抽水。

3 結(jié)束語

本文以Arduino控制器作為控制核心，搭建了一個方便、簡單的小體積光學(xué)實驗平臺，該設(shè)計具有很好的課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)前景、重要的學(xué)術(shù)研究價值和實際應(yīng)用價值。相比于國內(nèi)外的全反射系統(tǒng)，本系統(tǒng)體積小巧且不需要水龍頭持續(xù)供水，性能穩(wěn)定、造價低，是目前水流光實驗效果最好的系統(tǒng)之一。通過Arduino控制器對水位信號、水流速度和方向進(jìn)行精確地控制，以LabVIEW軟件為上位機(jī)，通過簡單的圖形化程序界面方便操控者進(jìn)行數(shù)據(jù)直觀讀取和控制。圖形化顯示的水位高度理論精度可達(dá)到0.3 cm，在實驗時由于誤差和環(huán)境限制，水位誤差高度也不會高于1 cm。激光器采用普通的半導(dǎo)體激光器，價格便宜。

本實驗對目前的教學(xué)模式有著重要的意義：首先，將小型化光學(xué)實驗引入了課堂，創(chuàng)新了課堂教學(xué)模式；其次，將簡單、易上手的Arduino控制器引入了學(xué)生視線，學(xué)生可以將更多精力放在專業(yè)課的學(xué)習(xí)上，利用Arduino輕松地完成自己的創(chuàng)意，不用為煩瑣的程序控制而發(fā)愁；最后，采用了現(xiàn)場多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的新模式，使教學(xué)更直觀化、網(wǎng)絡(luò)化。

［1］崔才豪，張玉華，楊樹財.利用Arduino控制板的光引導(dǎo)運動小車設(shè)計［J］.自動化儀表，2011（9）：6－8.

［2］蔡睿妍.基于Arduino的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電腦知識與技術(shù)，2012（15）：4－5.

［3］紀(jì)欣然.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（15）：99－101.

［4］凱姆·卡爾文，泰勒·卡爾文，龐明珠.Arduino與電子制作［J］.電子制作，2012（8）：68－73.

［5］Drum Master.IntroductiontoDrumMaster［EB/OL］.［2012－05－03］.http：//drummaster.digitalcave.ca/.

［6］Arduino Team.ArduinoDuemilanove［EB/OL］.［2012－05－05］.http：//arduino.cc/en/Main/ArduinoBoard-Duemilanove.

［7］黃偉敏.Android平臺的即時通信系統(tǒng)客戶端設(shè)計方案［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（16）：140－141.

Total Reflection Experiment System Based on Arduino

SHAN Xuchen1，QIXiaoyan1，SONG Xiaodan1，2，MA Yu1，ZHUANG Qirong3，LIU Shugang1
（1.Electrical Engineering College，Heilongjiang University，Harbin 150080，China；2.Kyushu Institute of Foreign Languages，Japan Fukuoka；3.National Dong Hwa University；）

We established a system on total reflection of light，which immensely improved class interaction.At the same time，we can live in the classroom by using the wireless image transmission system，and the experimentmakes students havemore intuitive understanding.The system contains several parts，including optical total reflection system，feedback control system and image transmission system.Meanwhile，this system can also realize the classroom innovation，classroom experiment，classroom live，improve the interest of the students，and bring convenience to students and teachers.

total reflection；Arduino controller；ultrasonic distancemeasurement；light coupling；wireless camera

O436

B

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.006

2013－10－11；修改日期：2013－11－13

黑龍江省高等教育教學(xué)改革基金資助項目（JG2013010077）；黑龍江大學(xué)新世紀(jì)教育教學(xué)改革基金資助項目（2013B33）。

單旭晨（1990－），男，碩士生，研究方向：物理檢測。

劉書鋼（1956－），男，教授，研究方向：生物成像技術(shù)。