基于Arduino的重力加速度測量儀

楊磊

摘要：利用單擺測量加速度實驗是高中物理最經(jīng)典的實驗之一，它在各級公開課、各省市高考中頻繁出現(xiàn)，是高中物理教學(xué)的重點內(nèi)容之一。本文提出，將開源控制平臺Arduino控制器結(jié)合傳感器融入實驗，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開闊其實驗思路，而且可讓學(xué)生在做實驗的過程中對自己的實驗思路進(jìn)行改進(jìn)并創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：Arduino；傳感器擴(kuò)展版；藍(lán)牙

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）20-0065-03

基于Arduino的重力加速度測量儀有效提升了傳統(tǒng)實驗的效率。它充分利用開源硬件的優(yōu)勢，并將計算思維融入教具研發(fā)的全過程，使用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)學(xué)計算；它通過運用蜂鳴器、數(shù)碼顯示管、藍(lán)牙傳感器等，使實驗全過程高度自動化、細(xì)節(jié)可視化。不僅如此，它還克服了使用傳統(tǒng)教具過程中的人為干擾因素。例如，紅外傳感器代替人工計數(shù)，消除計數(shù)過程中的人為誤差；利用電磁鐵釋放金屬小球能避免因人為釋放導(dǎo)致單擺變成螺旋擺的失誤等。

● 硬件搭建及外觀設(shè)計

該儀器的硬件平臺為Arduino，它是當(dāng)前全球最流行的開源硬件之一，為全球開發(fā)者提供廣闊的硬件開發(fā)平臺環(huán)境，代表著未來硬件開發(fā)的新趨勢。Arduino簡便的開發(fā)方式使得開發(fā)者更能關(guān)注創(chuàng)意與實現(xiàn)，高效地完成項目的開發(fā)任務(wù)，大大節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短項目的開發(fā)周期。該儀器的底座由環(huán)保塑料積木搭建而成，整體無焊接、無膠水，內(nèi)部硬件通過杜邦線連接，體現(xiàn)即拆即用的設(shè)計風(fēng)格，實現(xiàn)核心組件及傳感器的重復(fù)利用，如圖1及下頁表。

● 軟件設(shè)計

Arduino IDE基于Processing IDE開發(fā)，對于初學(xué)者來說，它不僅極易掌握，而且具有足夠的靈活性。Arduino語言基于Wiring語言開發(fā)，是對avr-gcc庫的二次封裝，它不需要太多的單片機基礎(chǔ)及編程基礎(chǔ)，就可快速地進(jìn)行開發(fā)。該儀器的程序用C語言編寫而成（如下頁圖2），由四大功能模塊組成。

（1）初始化模塊，對傳感器引腳進(jìn)行定義及賦初值；

（2）輸入輸出模塊，為用戶提供清晰的操作提示，實現(xiàn)在數(shù)碼管及外接終端上整個計數(shù)過程的可視化，并將輸出結(jié)果分別顯示在數(shù)碼管及終端上；

（3）傳感器功能模塊，負(fù)責(zé)紅外傳感器、電磁鐵、超聲波傳感器的功能實現(xiàn)；

（4）藍(lán)牙通信模塊，實現(xiàn)與藍(lán)牙終端設(shè)備的連接。

● 操作步驟

將該儀器放置在水平桌面，用數(shù)據(jù)線連接電腦或藍(lán)牙連接手機、PAD。安裝鐵架臺和單擺裝置。單擺小球球心與儀器的紅外線傳感器探頭保持水平，以紅外線紅色指示燈長亮為準(zhǔn)。該儀器利用串口與終端進(jìn)行通信，終外端需安裝敞口通信軟件，如sscom32等。通電后，計算機終端會顯示歡迎界面和操作選項。如事前已知擺長（100cm以內(nèi)），請在終端上輸入“Y”；然后按儀器上第二個按鈕，調(diào)節(jié)數(shù)碼管，使顯示屏顯示已知擺長的數(shù)值；再按第三個按鈕確定。如需測量擺長，請在終端上輸入“N”；然后把超聲波傳感器放置在小球底端并長按第二個按鈕，當(dāng)終端上重復(fù)顯示測量值時松開按鈕；再將小球移到懸點處，按第三個按鈕重復(fù)之前步驟。該過程可借助CD碟盤托住小球，便于測量。當(dāng)擺長確定，電磁鐵通電開始工作。將小球靠近電磁鐵，使其被電磁鐵吸住。在終端上輸入“A”，電磁鐵斷電停止工作，小球開始做單擺運動。紅外線傳感器開始計數(shù)，并在終端上顯示計數(shù)過程，當(dāng)計數(shù)達(dá)到40次，蜂鳴器響起。在終端上（電子白板或手機屏幕）顯示測量結(jié)果：擺長、周期和重力加速度（如上頁圖3～5）。

● 小結(jié)

基于Arduino的重力加速度測量儀結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于教學(xué)推廣，其全部過程高度自動化，細(xì)節(jié)可視化，減少操作者進(jìn)行手動操作和人工計算時產(chǎn)生的誤差，驗證結(jié)果準(zhǔn)確，能夠讓學(xué)生直觀、明了地理解利用單擺原理測量重力加速度的方法和步驟。該儀器在教學(xué)應(yīng)用過程中對學(xué)生能夠產(chǎn)生積極影響，進(jìn)而有利于學(xué)生主動參與，師生互動、合作交流，激發(fā)學(xué)生和教師的創(chuàng)作熱情。endprint