賀凱強(qiáng)

作為一名創(chuàng)客，如果要完成一件讓自己滿意的作品，對(duì)作品原型的改進(jìn)是必不可少的。作品原型必定有很多不如意的地方，所以創(chuàng)客們要對(duì)作品加以改進(jìn)以使其達(dá)到自己的預(yù)期，這是工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，也是創(chuàng)客本身的魅力所在。因此，在創(chuàng)客教育中，創(chuàng)客教師同樣需要有足夠的耐心和心理準(zhǔn)備允許并鼓勵(lì)學(xué)生改進(jìn)自己的作品，使其在“發(fā)現(xiàn)問題—提出猜想—實(shí)施方案—解決問題”的過程中，既能優(yōu)化作品，又能達(dá)到提升解決問題能力的目的。

上一期文章介紹了自制歐姆表的作品創(chuàng)意。但在測試階段，我們發(fā)現(xiàn)測量0～1KΩ的電阻時(shí)，指針的偏轉(zhuǎn)角度很小，誤差很大。不知道大家有沒有想出優(yōu)化方案呢？對(duì)于這個(gè)問題，仁者見仁，智者見智。我也提出了解決方案，供大家參考。

如圖1，這是原歐姆表的儀表盤。表盤的量程為0～10KΩ。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)0～1KΩ的電阻測量誤差較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化作品，增加0～1KΩ的精確度。一定要注意，這里的誤差是指指針指示的誤差，如果用串口監(jiān)視器觀察電阻值，就會(huì)發(fā)現(xiàn)串口顯示的數(shù)值誤差較小，一旦轉(zhuǎn)換成舵機(jī)的變化角度，誤差就很明顯。

那么，如何解決這個(gè)問題呢？真實(shí)的指針式電壓表或者電流表一般有兩個(gè)量程，并且兩個(gè)量程共用一個(gè)表盤。由此可以做出猜想，歐姆表的大小量程是否可以共用一個(gè)表盤呢？將0～1 KΩ放大到整個(gè)表盤上，是否能實(shí)現(xiàn)0～1KΩ小量程段的精確測量？

改裝

首先對(duì)表盤進(jìn)行改進(jìn)，在同一個(gè)表盤標(biāo)明兩個(gè)量程。如圖2，在原有的基礎(chǔ)上，將1KΩ均勻分成10份。每一份表示0.1KΩ，最小刻度為0.05KΩ。這是歐姆表改進(jìn)的第一步。

除了對(duì)表盤進(jìn)行改進(jìn)外，是否還需要改進(jìn)原歐姆表的電路連接呢？上文已經(jīng)提到，對(duì)0～1KΩ電阻測量時(shí)，串口監(jiān)視器觀測到的電阻值顯示精確，但轉(zhuǎn)換成為舵機(jī)顯示的數(shù)值時(shí)誤差較大，因此可以推斷出，電阻的計(jì)算公式完全正確，但在電阻值對(duì)應(yīng)舵機(jī)角度變化的程序編寫上，需要進(jìn)一步優(yōu)化。因此，多量程歐姆表電路連接圖與原有電路圖相比，只增加紅、綠LED燈。綠燈和紅燈正極分別連接到2、3管腳，負(fù)極共地。紅、綠LED燈因程序需要添加，下文會(huì)詳述（如上頁圖3）。

玩轉(zhuǎn)

重新編寫程序，需要設(shè)置多量程歐姆表的量程為0～1KΩ與0～10 KΩ。當(dāng)程序檢測到電阻小于1KΩ時(shí)，r值放大100倍，與表盤100度對(duì)應(yīng)；當(dāng)檢測到電阻大于1KΩ時(shí)，r值放大10倍，與表盤100度對(duì)應(yīng)。這個(gè)程序仍會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題：觀察者不知道舵機(jī)顯示的阻值是大于1KΩ還是小于1KΩ。因此，有必要加入提示，我們?yōu)殡娐诽砑蛹t綠燈，區(qū)分電阻大小。當(dāng)檢測到電阻大于等于1 KΩ時(shí)，紅燈亮；當(dāng)檢測到電阻小于1KΩ時(shí)，綠燈亮。打開Mixly圖形化編程，編寫程序。

程序的編寫大致分為三個(gè)部分：第一個(gè)部分是對(duì)變量的定義，第二個(gè)部分是各個(gè)小程序的編寫，第三個(gè)部分是用程序語句連接各個(gè)小程序，實(shí)現(xiàn)多量程歐姆表的功能。

第一部分程序定義變量。定義analog變量為小數(shù)變量，初始值為0，模擬端口A0的數(shù)值會(huì)賦予這個(gè)變量。同理，經(jīng)過歐姆定律公式計(jì)算，得到的待測電阻數(shù)值用r來表示：r擴(kuò)大10倍得到的數(shù)值賦予a，a表示0～10KΩ電阻；r擴(kuò)大100倍得到的數(shù)值賦予b，b表示0～1KΩ電阻（如圖4）。

第二部分是各個(gè)小程序的編寫。首先根據(jù)歐姆定律，編寫待測電阻的計(jì)算程序。將模擬端口的A0數(shù)值賦予analog變量，再代入計(jì)算公式中。這里的計(jì)算公式與上述歐姆定律的計(jì)算公式一致。不同的是，總電壓V原先是5V，現(xiàn)在是與5V對(duì)應(yīng)的1023，而電壓V1用變量analog表示。

名為“電阻”的程序被執(zhí)行后，會(huì)得到待測電阻的精確數(shù)值r。程序如上頁圖5所示。

舵機(jī)顯示0～1KΩ電阻測量值，首先將數(shù)值r放大100倍，之后與舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)綠燈亮，程序如上頁圖6所示。輸出管腳2為高、3為低表示綠燈亮、紅燈滅。

舵機(jī)顯示0～10KΩ電阻測量值，首先將數(shù)值r放大10倍，之后與舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)紅燈亮，程序如上頁圖7所示。輸出管腳2為低、3為高表示綠燈滅、紅燈亮。

第三部分程序，是用邏輯關(guān)系連接第二部分的程序。如果r小于1KΩ，執(zhí)行“0～1KΩ程序”，如果r大于等于1KΩ，執(zhí)行“0～10KΩ程序”。需要注意的是，要想使歐姆表能夠及時(shí)復(fù)位，當(dāng)不測量阻值，即analog變量等于0時(shí)，將指針旋轉(zhuǎn)到10KΩ的位置。具體程序如上頁圖8所示。

最后，連接三部分程序，得到最終程序，如圖9所示。

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如果我們想要進(jìn)一步提高歐姆表的精度，可擴(kuò)大舵機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)縮小最小刻度對(duì)應(yīng)的角度。如果想要擴(kuò)大歐姆表的量程，可適當(dāng)增加電路中定值電阻的阻值。多量程歐姆表已經(jīng)完成制作，自制的多量程歐姆表和真正的歐姆表一樣，可以測量電路試驗(yàn)中的電阻值，我們可以使用歐姆表完成“探究電位器的阻值變化”的實(shí)驗(yàn)。這正是驗(yàn)證多量程歐姆表精確度的好機(jī)會(huì)。

本案例的分享視頻將會(huì)在以下公眾號(hào)中陸續(xù)登載。