用Micro：bit探究光源頻閃問題

謝作如 鄭蕾蕾

當(dāng)我們長時間在日光燈下看書時，眼睛容易疲勞，即使日光燈的亮度與白天無異。專家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，日光燈的光源強度會隨著時間的改變而改變，進而使人眼產(chǎn)生不適感。這種現(xiàn)象常被稱為“光源頻閃”，不僅日光燈會頻閃，其他光源大部分都是如此，如白熾燈、LED等。

光源頻閃現(xiàn)象就是指光源發(fā)出的光隨時間呈快速、重復(fù)的變化，使得光源跳動和不穩(wěn)定。光源頻閃的實質(zhì)是光通量的波動，光通量波動深度越大，頻閃越嚴重。在交流或脈沖直流的驅(qū)動下，光源光通量、照度或亮度隨電流幅值的周期性變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。電光源的光通量波動深度大小，與電光源的技術(shù)品質(zhì)有直接關(guān)系。

● 光源頻閃的危害

長時間在日光燈下看書容易眼睛疲勞，這是人眼到人腦對日光燈頻閃這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主觀反應(yīng)。專家通過實驗研究，繪制出人眼對不同頻率的電壓波動引起的視覺敏感系數(shù)曲線（如圖1），從曲線上可以看出最敏感的頻率是8.8Hz，偏離該頻率后，敏感度隨頻率而降低。當(dāng)閃爍頻率在40Hz以上時，感覺就不靈敏；在50Hz以上的閃爍就完全沒有感覺。家用日光燈在50Hz頻率的交流電下工作時，它的光源閃爍頻率與交流電一致，故人們察覺不到光源的閃爍。但經(jīng)過長期使用，日光燈會因為燈管老化或啟輝器失效，使得人眼能夠察覺到燈光的閃爍。一系列的科學(xué)研究表明，光源的閃爍對人體的視覺系統(tǒng)有刺激作用，若長期在閃爍的光線下工作或生活會對人的生理造成影響。

為了緩解人在日光燈下工作產(chǎn)生的疲勞與不適，有廠家就專門生產(chǎn)無頻閃的護眼燈，號稱無頻閃的護眼燈真的不“頻閃”嗎？為了探究這一現(xiàn)象，我們利用Micro：bit對臺燈、護眼燈、太陽光等進行亮度測量，先采集一定時間的數(shù)據(jù)，再利用Excel進行分析。

● 用Micro：bit測量普通臺燈的頻閃情況

Micro：bit是一款專為青少年編程教育設(shè)計的微型電腦開發(fā)板，接上各種傳感器，可以作為數(shù)字采集工具來做各種科學(xué)實驗。雖然Micro：bit上已經(jīng)集成了環(huán)境光檢測的功能，但并不是很敏感，我們外接了光敏傳感器。實驗裝置如上頁圖2所示。

編程軟件環(huán)境選擇了BXY，這是DFrobot專門為Micro：bit開發(fā)的Python IDE工具，也是浙江教育出版社普通高中信息技術(shù)教材中選擇的編程工具。

軟件下載地址：https：//gitee.com/dfrobot/iPy/raw/master/BXY.exe。

1.代碼編寫

為了檢測更加準確，我們設(shè)定讓Micro：bit采集一定時間內(nèi)臺燈亮度值的變化，然后保存在一個.txt文件中。

用BXY編譯如下Python代碼，并下載到Micro：bit上。

from microbit import *

import os #涉及文件操作的庫

ts=running_time（） #記錄當(dāng)前運行時間作為起始點

t=ts

s='t＼ta＼r＼n' #生成標題行

for i in range（200）： #因為Micro：bit資源有限控制循環(huán)次數(shù)

t=running_time（ ）

val = pin0.read_analog（）

#得到亮度值，環(huán)境光傳感器接在Pin0

s=s+"%d＼t%0.2f＼r＼n" %（（t-ts），val） #把時間與亮度值保存到字符串變量s中

with open（'data.txt'，'wt'） as dt：

dt.write（s） #把字符串寫入data.txt文件

display.scroll（"done"，loop=True） #循環(huán)顯示“done”提示完成

2.獲取數(shù)據(jù)

代碼運行后，我們從data.txt中找到具體數(shù)據(jù)，如圖3所示。注意，這段代碼是一開機就運行數(shù)據(jù)采集功能的，事先要把傳感器的位置擺放好。

3.分析數(shù)據(jù)

因為在寫入數(shù)據(jù)時加入了制表符（＼t）以及回車換行（＼r＼n），所以我們可以將data.txt文件中的數(shù)據(jù)全部復(fù)制到Excel中進行處理，在插入菜單中添加一張折線圖圖表，即可看到臺燈光線亮度的波形圖（如圖4）。很顯然，臺燈的光強是上下抖動的，存在頻閃現(xiàn)象。

● 用Micro：bit測量其他光源的頻閃情況

我們繼續(xù)測量太陽光和某款護眼燈的頻閃情況。將數(shù)據(jù)合并起來，在Excel中畫圖進行比較。下頁圖5中最上面的是太陽光，接下來是普通臺燈，最后是護眼燈。

通過比較可以看出，太陽光是一條筆直的線，一點都不閃。護眼燈也挺好，變化很小，說明這款護眼燈還是具有一定的護眼作用的。但是，普通臺燈光源就不行了，閃爍非常明顯，怪不得會導(dǎo)致眼睛疲勞。

● 探究案例的拓展

對于數(shù)據(jù)的采集，還有更加簡單的方案，如直接用串口將數(shù)據(jù)輸出。修改上面的代碼，用print將變量輸出。具體代碼如下：

print（"%d＼t%0.2f" %（（t-ts），val））

打開BXY的串口監(jiān)視器，就能看見數(shù)據(jù)在不斷閃動，前面是時間，后面是光源亮度數(shù)據(jù)，如圖6所示。

從采集到的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，Micro：bit的每次采樣間隔是6毫秒。這個頻率是很低的，并不適用于高頻率研究，所以我們沒辦法直接用實驗所得的數(shù)據(jù)，計算光源的真實閃爍頻率。但是從理論上講，只要采集足夠多的數(shù)據(jù)，我們還是可以估算出這個閃爍頻率的。

● 實驗總結(jié)

本實驗通過將復(fù)雜的數(shù)據(jù)直觀化成波形圖展現(xiàn)，使得學(xué)生對頻率的理解更加形象有趣，對于中小學(xué)生來說，通過這種基于真實數(shù)據(jù)采集的實驗探究，能體驗科學(xué)的快樂，增強學(xué)習(xí)科學(xué)的求知欲，同時也能夠初步體會數(shù)據(jù)統(tǒng)計的重要性。這個實驗中，我們僅僅是用光敏傳感器進行測量，如果加上其他傳感器，還能制作出更多的科學(xué)測量工具，做更多的科學(xué)探究活動。

本實驗也可進行繼續(xù)研究。由于實際測量存在很多干擾因素形成干擾波，傅里葉變換能把不同頻率疊加的波分離出來，并得到它們的頻率。如果利用Micro：bit做大量的統(tǒng)計，再運用傅里葉變換進行計算頻率，那么對高中生來說這是很有挑戰(zhàn)性的工作，也很有價值。