翁浩峰

無(wú)線DISLab系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DISLab（數(shù)字化信息系統(tǒng)）是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組合起來(lái)，共同完成對(duì)物理量測(cè)量的裝置。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用此裝置，可以直接在電腦上得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)圖表、圖線等具體分析出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，十分直觀與簡(jiǎn)便，大大簡(jiǎn)化了以往實(shí)驗(yàn)課上繁瑣的計(jì)算過(guò)程，既節(jié)約了時(shí)間又讓學(xué)生感到直觀易懂。

本套DISLab系統(tǒng)由若干無(wú)線傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)端軟件3部分組成。相比于現(xiàn)有DISLab系統(tǒng)，本套系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下。

用無(wú)線的方式連接傳感器和數(shù)據(jù)采集器，傳感器可單獨(dú)安裝在運(yùn)動(dòng)物體上，可以完成有線傳感器無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，帶來(lái)了新的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式。

用無(wú)線的方式接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，沒有了線的束縛，可以使實(shí)驗(yàn)裝置更加簡(jiǎn)潔。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器可同時(shí)連接3路無(wú)線傳感器，以及多達(dá)30路有線模擬或數(shù)字傳感器，可以完成更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

計(jì)算機(jī)端的軟件用Flash動(dòng)畫軟件開發(fā)，可用動(dòng)畫實(shí)時(shí)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更清晰地得以展現(xiàn)。

可以用以前記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的虛擬再現(xiàn)。

無(wú)線DISLab系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)無(wú)線DISLab系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問(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，可供使用的有無(wú)線電、紅外、藍(lán)牙、射頻、WiFi及短距離激光通訊等。經(jīng)比較，我選擇了藍(lán)牙作為無(wú)線DISLab系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

用于制作傳感器的單片機(jī)Arduino可以使用的藍(lán)牙模塊有很多，這里采用了HC-05主從一體藍(lán)牙模塊。在選擇完了無(wú)線方式后，就可以進(jìn)行具體的無(wú)線DISLab設(shè)計(jì)了。

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。

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)接收來(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。

同組的模塊間通過(guò)設(shè)置不同的連接密碼進(jìn)行區(qū)別，連接密碼初始化在藍(lán)牙模塊中。也就是說(shuō)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)。如果只使用一個(gè)無(wú)線傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，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：傳感器一無(wú)線傳輸一帶藍(lán)牙功能的計(jì)算機(jī)。

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，所以可以使用一個(gè)叫Serproxy的串口代理程序?qū)?lái)自串口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Flash動(dòng)畫可以讀取的數(shù)據(jù)。最后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和繪圖都由Flash動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)。

部分無(wú)線傳感器簡(jiǎn)介

無(wú)線力傳感器

由于高中物理中存在很多測(cè)量動(dòng)態(tài)力的難點(diǎn)，所以必須應(yīng)用無(wú)線力傳感器。經(jīng)多次設(shè)計(jì)修改，最終制成雙應(yīng)變梁式力傳感器。此傳感器基本原理是在一個(gè)傳感器模塊中放入2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)計(jì)算出連接外部物體鉤子的力的變化，從而抵消了由于鉤子引起的力的變化。雙應(yīng)變梁式無(wú)線力傳感器的實(shí)物見圖1。

在進(jìn)行牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中小車受力的測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，就只能用重物的重力代替小車的受力，為了控制誤差，在實(shí)驗(yàn)中小車的加速度就不能很大，因而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就不很明顯。有了現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)裝置，就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，所以小車加速度可以比較大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更明顯。

無(wú)線速度傳感器

無(wú)線速度傳感器利用了光電門測(cè)速的原理。將光電門放置在軌道車上，然后將多個(gè)相同寬度的擋光片放置在軌道上，就可以利用光電門完成多次測(cè)速。現(xiàn)有光電門必須用有線方式連接到數(shù)據(jù)采集器，無(wú)法使用。所以必須對(duì)現(xiàn)有光電門進(jìn)行改進(jìn)，讓其與數(shù)據(jù)采集器之間采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)線電壓、電流傳感器

Arduino模擬電壓輸入端的可測(cè)量的最大電壓為5伏，10位精度（即大概可以精確到0.005伏），如果直接將模擬電壓輸入端作為電壓傳感器，也足以滿足高中物理電學(xué)測(cè)量的精度要求，所以可以直接將傳統(tǒng)的電壓表直接改裝成電壓傳感器，直接將Arduino的模擬電壓輸入端并聯(lián)到電壓表兩個(gè)接線柱上，由于Arduino模擬電壓輸入端的輸入阻抗在1兆歐姆以上，并聯(lián)在電壓表上后基本不改變電壓表的內(nèi)阻。圖2為電壓表改裝后的實(shí)物圖，電源可以內(nèi)置在電壓表內(nèi)部。

虛實(shí)結(jié)合的軟件端

本套無(wú)線DISLab系統(tǒng)的軟件端用Flash動(dòng)畫軟件開發(fā)而成，因此具有動(dòng)畫課件的特點(diǎn)，可以用動(dòng)畫表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。因?yàn)閯?dòng)畫的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)自于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，所以可以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的DIS實(shí)驗(yàn)。而且每種實(shí)驗(yàn)都既擁有DIS實(shí)驗(yàn)的方便、準(zhǔn)確、快速和可自動(dòng)保存數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，又擁有虛擬實(shí)驗(yàn)的可視性和對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的展示。圖3是碰撞實(shí)驗(yàn)的界面截圖。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技發(fā)明類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目制作的無(wú)線DISLab系統(tǒng)由若干無(wú)線傳感器、數(shù)據(jù)采集口和計(jì)算機(jī)方面軟件3部分組成。其中傳感器采用了模塊化設(shè)計(jì)。相比于現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：用無(wú)線方式代替有線傳輸，帶來(lái)了新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方式，且實(shí)驗(yàn)裝置更加簡(jiǎn)潔；數(shù)據(jù)采集器可同時(shí)連接3路無(wú)線傳感器，可完成較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)；使用Flash計(jì)算機(jī)動(dòng)畫軟件使顯示過(guò)程更加清晰，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合；模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多樣化測(cè)量。建議利用此思想多開發(fā)實(shí)用項(xiàng)目，并開發(fā)外殼使其更加實(shí)用，不斷改進(jìn)軟件使其更加適應(yīng)課堂教學(xué)。endprint