謝 添 翁浩峰

(浙江省寧波中學(xué) 浙江 寧波 315100)

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無(wú)線DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用

謝 添 翁浩峰

(浙江省寧波中學(xué) 浙江 寧波 315100)

DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理課堂中開(kāi)始流行，但是傳感器與數(shù)據(jù)采集器間的有線連接大大限制了DIS實(shí)驗(yàn)的使用．用無(wú)線傳輸來(lái)取代之前的有線連接，可以更大地?cái)U(kuò)展DIS實(shí)驗(yàn)的使用，新的測(cè)量工具的產(chǎn)生也必定帶來(lái)新的實(shí)驗(yàn)方法．

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 無(wú)線力傳感器 物理教學(xué)

力的測(cè)量在高中物理實(shí)驗(yàn)中非常重要，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量力，在DIS實(shí)驗(yàn)流行后有了力傳感器來(lái)測(cè)量力．使用力傳感器可以近似連續(xù)地記錄所受到的力，已經(jīng)可以做到力的動(dòng)態(tài)測(cè)量了．但是，現(xiàn)有的力傳感器幾乎都是以有線的方式連接數(shù)據(jù)采集器的，這樣測(cè)量的方式大受限制，例如物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到的運(yùn)動(dòng)物體的受力測(cè)量實(shí)驗(yàn)等等都無(wú)法用有線力傳感器來(lái)測(cè)量．雖然市面上也出現(xiàn)了無(wú)線的力傳感器，但是無(wú)論在穩(wěn)定性還是精確性上都存在問(wèn)題．筆者針對(duì)這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種無(wú)線力傳感器．

1 無(wú)線DIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)線力傳感器與傳統(tǒng)力傳感器的最大差別在于傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)力傳感器一般都采用有線連接方式．無(wú)線力傳感器的最關(guān)鍵問(wèn)題是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇．現(xiàn)有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式有很多，藍(lán)牙和WIFI都能滿足無(wú)線DIS的需求，考慮到WIFI的技術(shù)難度更大一些，這里選擇了藍(lán)牙作為無(wú)線DIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式．

藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10 m內(nèi))的無(wú)線電技術(shù)．利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路．

1.1 傳感器端設(shè)計(jì)

由于要在傳感器端加入藍(lán)牙模塊，所以需要有Arduino(一種單片機(jī))來(lái)進(jìn)行控制，基本的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 傳感器端設(shè)計(jì)

利用Arduino處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，然后再由藍(lán)牙模塊發(fā)射．

1.2 數(shù)據(jù)采集器端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器端主要用來(lái)接受來(lái)自傳感器端的數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到電腦端數(shù)據(jù)采集器與電腦端的連接利用Usb線連接．基本的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集器端設(shè)計(jì)

藍(lán)牙主機(jī)模塊1會(huì)自動(dòng)連接傳感器端1中的藍(lán)牙從機(jī)模塊，藍(lán)牙主機(jī)模塊2會(huì)自動(dòng)連接傳感器端2中的藍(lán)牙從機(jī)模塊，并且數(shù)據(jù)采集器端的Arduino能自動(dòng)識(shí)別來(lái)自哪個(gè)傳感器端的數(shù)據(jù)．因?yàn)榇蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)已經(jīng)集成了藍(lán)牙模塊，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖3所示結(jié)構(gòu).

圖3 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

1.3 計(jì)算機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)

由于不管是Arduino通過(guò)Usb連接電腦還是直接利用藍(lán)牙連接電腦，都采用了串口數(shù)據(jù)傳輸，可以讓數(shù)據(jù)來(lái)控制Flash動(dòng)畫(huà)界面上的某些元素，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬的DIS實(shí)驗(yàn)，并且當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以讓已經(jīng)記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的回放或者慢放，來(lái)增加演示實(shí)驗(yàn)的可視性．

2 無(wú)線力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 第一版無(wú)線力傳感器的設(shè)計(jì)和制作

由于高中物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的力普遍較小，所以采用了應(yīng)變梁式力傳感器．這種傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 應(yīng)變梁式力傳感器結(jié)構(gòu)

應(yīng)變片1和應(yīng)變片2為兩個(gè)電阻應(yīng)變片，將這兩個(gè)應(yīng)變片和兩個(gè)定值電阻一起組成一個(gè)橋式電路，當(dāng)在傳感器右端施加壓力時(shí)，應(yīng)變片1和應(yīng)變片2由于發(fā)生形變導(dǎo)致電阻值的變化，從而使橋式電路出現(xiàn)不平衡，通過(guò)對(duì)橋式電路電壓的測(cè)量就可以得到傳感器上的壓力值．應(yīng)變梁式傳感器的具體實(shí)物圖如圖5所示.

圖5 應(yīng)變梁式傳感器實(shí)物圖

由于應(yīng)變梁式傳感器受壓時(shí)形變很小，即應(yīng)變片的電阻變化很小，所以橋式電路的電壓變化也非常小．雖然Arduino可以直接采集模擬電壓值，但是精度很低，無(wú)法識(shí)別來(lái)自力傳感器的電壓變化，所以必須對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行處理．一般的處理方法有兩種，一是將其模擬線性放大，然后再測(cè)量；另一種直接利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將微小電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)．最終確定了利用HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)進(jìn)行測(cè)量．圖6中A-，A+端用來(lái)接傳感器的電壓輸出端，RX和TX端用來(lái)連接Arduino，輸出經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)．

圖6 HX711摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

通過(guò)對(duì)Arduino編寫程序，讓其接受來(lái)自HX711的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后通過(guò)藍(lán)牙發(fā)射出去．由于無(wú)線力傳感器需要工作在運(yùn)動(dòng)的物體上，所以還必須為其提供單獨(dú)的電源，這里使用了9 V可充電方形鋰電池來(lái)供電，圖7為最終制作出來(lái)的實(shí)物圖.

圖7 應(yīng)變梁式力傳感器實(shí)物圖

雖然成功地設(shè)計(jì)并制作了無(wú)線力傳感器，也成功地利用其采集到了數(shù)據(jù)，但是在使用過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)缺陷．那就是如果靜態(tài)的使用這個(gè)傳感器，它沒(méi)有任何問(wèn)題，但是一旦利用它來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的受力時(shí)，傳感器上用來(lái)連接物體的鉤子本身由于存在質(zhì)量，在變速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生力的變化，從而導(dǎo)致力測(cè)量的誤差．

2.2 改進(jìn)版無(wú)線力傳感器的設(shè)計(jì)與制作

為了抵消鉤子在變速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力，筆者設(shè)計(jì)了雙應(yīng)變梁式力傳感器，成功地解決了這個(gè)問(wèn)題．基本原理是在一個(gè)傳感器中放入兩個(gè)相同的應(yīng)變梁式力傳感器，其中一個(gè)連接鉤子用來(lái)連接外部物體，另外一個(gè)只連接一個(gè)配重．這樣當(dāng)傳感器在運(yùn)動(dòng)中有加速度時(shí)，利用連接配重的力傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出連接外部物體鉤子的力的變化，從而抵消掉由于鉤子引起的力的變化．在沒(méi)有連接外部物體時(shí)，如果晃動(dòng)第一版無(wú)線力傳感器或者傳統(tǒng)的力傳感器，就會(huì)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)會(huì)發(fā)生改變；但是如果晃動(dòng)雙應(yīng)變梁式無(wú)線力傳感器，這個(gè)數(shù)據(jù)始終是不變的．也就是說(shuō)它成功地抵消了在變速運(yùn)動(dòng)時(shí)鉤子產(chǎn)生的力的變化．雙應(yīng)變梁式無(wú)線力傳感器的實(shí)物如圖8所示.

圖8 雙應(yīng)變梁式無(wú)線力傳感器實(shí)物圖

2.3 無(wú)線DIS系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)采集器端的具體制作

由于需要連接兩個(gè)或者兩個(gè)以上的藍(lán)牙模塊，而每個(gè)藍(lán)牙模塊都要占用一路串口，所以選擇了Arduino MEGA 2560來(lái)作為數(shù)據(jù)采集器端的控制器，筆者在設(shè)計(jì)的時(shí)候只使用了兩路藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收，具體的硬件連接如圖9所示．Arduino端的代碼這里不再提供．

圖9 數(shù)據(jù)采集器端硬件連接

3 計(jì)算機(jī)端軟件的制作

由于Flash動(dòng)畫(huà)可以接受來(lái)自串口的數(shù)據(jù)，所以本套DIS系統(tǒng)使用Flash動(dòng)畫(huà)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)DIS系統(tǒng)的軟件．Flash動(dòng)畫(huà)的優(yōu)點(diǎn)是可以針對(duì)每個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)制作不同的動(dòng)畫(huà)界面．圖10為針對(duì)單個(gè)無(wú)線力傳感器數(shù)據(jù)采集的軟件界面，具體的軟件代碼不再提供．

圖10 軟件界面

當(dāng)打開(kāi)無(wú)線傳感器時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別傳感器，并會(huì)顯示傳感器此刻的狀態(tài)．當(dāng)開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示．傳感器的清零按鈕設(shè)計(jì)在傳感器上面，軟件中沒(méi)有再設(shè)．這個(gè)軟件只是完成了一個(gè)最基礎(chǔ)的功能，圖像的繪制與數(shù)據(jù)記錄．當(dāng)然針對(duì)具體不同的實(shí)驗(yàn)，軟件的界面可以進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)．

4 利用無(wú)線傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

下面就利用這套無(wú)線DIS系統(tǒng)來(lái)完成一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)——牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中小車受力的測(cè)量．

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，是用重物的重力來(lái)代替小車的受力，為了控制誤差，在實(shí)驗(yàn)中小車的加速度不能很大．現(xiàn)在可以直接在小車上安裝無(wú)線力傳感器，直接測(cè)量小車受到的拉力．具體的裝置如圖11所示.

圖11 無(wú)線傳感器測(cè)量小車的受力

在小車和無(wú)線力傳感器質(zhì)量大約為450 g，重物質(zhì)量為50 g的情況下，得到如圖12的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看到小車靜止時(shí)和加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力大約有10%的差距．

圖12 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 無(wú)線DIS實(shí)驗(yàn)展望

隨著科技的發(fā)展，無(wú)線DIS實(shí)驗(yàn)取代有線DIS實(shí)驗(yàn)是必然的趨勢(shì)．無(wú)線DIS實(shí)驗(yàn)有著很多的優(yōu)勢(shì)，一是實(shí)驗(yàn)器材間沒(méi)有了數(shù)據(jù)線的束縛，使實(shí)驗(yàn)更加簡(jiǎn)潔方便；二是可以使用無(wú)線傳感器測(cè)量很多之前無(wú)法測(cè)量的量，例如動(dòng)態(tài)物體的受力等等；三是由于無(wú)線DIS實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)很多新的實(shí)驗(yàn)．

2015-03-23)