雷蔓　楊松　聶祥榮　李江

摘要：初中物理光學(xué)實驗主要目的就是讓學(xué)生掌握光的反射折射規(guī)律，目前現(xiàn)有的光反射折射實驗器材自動化程度低，不方便實驗教學(xué)。針對這一現(xiàn)狀，本團隊研究了一種光反射折射實驗儀，首先通過功能需求分析，列出了該實驗儀應(yīng)該具備的功能，確定了其結(jié)構(gòu)和工作原理;其次用Arduino單片機作為該實驗儀的控制核心，研究了其控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件編程;最后利用了3D打印等制作技術(shù)，完成了該光反射折射實驗儀的制作，并進行測試試驗。試驗表明，該實驗儀能夠滿足預(yù)期的功能和實驗教學(xué)的需要。

關(guān)鍵詞：光反射折射;3D打印;實驗儀;單片機;Arduino

中圖分類號：TK464 ????文獻標(biāo)識碼：A

收稿日期：2020-06-02

作者簡介：雷蔓 （1985-?），男，講師，碩士，研究方向：先進制造技術(shù)。

1引言

探究光的反射折射規(guī)律是初中物理光學(xué)部分的一個重要實驗[1]，目前大多數(shù)光的反射折射實驗器材需要手動操作，自動化程度不高，光路看得不是很清楚，科技感不強，學(xué)生做實驗的積極性、好奇心不夠。

針對上述問題，本團隊研究了一種基于Arduino單片機控制的自動化光反射折射實驗儀，其樣機的制作過程中部分零件還用了3D打印機打印，實驗儀科技感強，能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該實驗儀不僅能夠讓學(xué)生學(xué)會光的折射反射規(guī)律，還能夠啟發(fā)學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的思考與向往。

2 光反射折射實驗儀方案設(shè)計及工作原理

該反射折射實驗儀最終的方案如圖 1所示。

在方案設(shè)計開始時，要提出明確的目標(biāo)，就是所設(shè)計的實驗儀要能夠達到什么功能。根據(jù)光的反射折射知識點得出，光的反射折射實驗儀要能夠讀出光的入射角與反射角，能夠看出光的折射現(xiàn)象，能夠展示入射光線、反射光線、法線、折射光線等。

功能確定后，經(jīng)過研究團隊的討論與反復(fù)研究，確定了該實驗儀的結(jié)構(gòu)（圖 1）和工作原理，

其工作過程通過紅外遙控器發(fā)出信號，由Arduino單片機控制完成。舵機轉(zhuǎn)動中心與量角器中心重合，舵機驅(qū)動擺桿轉(zhuǎn)動，擺桿上端的激光器發(fā)出的激光通過量角器中心，能夠被設(shè)置于量角器中心的平面鏡反射，得到入射光線與反射光線。遙控器上要有激光器開關(guān)按鍵、舵機正反轉(zhuǎn)按鍵、舵機旋轉(zhuǎn)到指定角度按鍵。

要進行實驗時，先打開水霧發(fā)生器，待該實驗儀上部充滿水霧后，再打開激光器，光在水霧里面?zhèn)鞑?，產(chǎn)生丁達爾現(xiàn)象，就會很清晰的看見光的傳播路徑。

從正面觀察，入射角和反射角可以從量角器上讀出，并且單片機根據(jù)舵機旋轉(zhuǎn)的角度能夠把入射角和反射角顯示在LED數(shù)碼管顯示器上;從側(cè)面觀察，可以驗證反射光與入射光在同一平面上。

觀察光的折射實驗，只需要把玻璃等光的折射元件替換掉平面鏡，就能觀察到光路由于折射產(chǎn)生的變化。

3 基于Arduino單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

用到的元器件有Arduino UNO控制板[2]、Arduino Sensor Shield V5.0擴展板、舵機、激光頭、LCD1602、LCD專用I2C轉(zhuǎn)接板（PCF8574T）、紅外遙控器、紅外接收頭（CHQB LF1738）、5V電源等。元器件接線圖如圖 2所示（畫圖時部分元件用其他代替），擴展板插裝在Arduino UNO控制板上，LCD1602與其專用I2C轉(zhuǎn)接板連接好后，與Arduino UNO控制板的SCL、SDA端連接，舵機、紅外接收頭、激光頭分別與Arduino UNO控制板的3端口、4端口、7端口連接，連接好各元器件的電源，就完成了硬件接線。

3.2軟件設(shè)計

Arduino單片機硬件軟件都具有開放共享的特點，很多復(fù)雜的協(xié)議和元器件底層的代碼都有第三方庫可以調(diào)用[3]，給編程帶來了很大的便利性。在加載了、 、頭文件后，就可以調(diào)用相應(yīng)的類庫[4]，由于篇幅有限，這里僅討論直接實現(xiàn)該實驗儀功能的部分代碼。

1變量的定義及含義如下：

int RECV_PIN = 4;//紅外接收信號管腳

int SERVOPIN = 3; //舵機控制管腳

int guang = 7;//激光開關(guān)控制管腳

int wz，xs;//wz為舵機角度、xs為LCD顯示角度

long inc = 0x00FF02FD;//角度+按鍵，對應(yīng)??I（VOL+）

long dec = 0x00FF22DD; //角度-按鍵，對應(yīng)I??（VOL-）

long kai = 0x00FFA25D; //開激光，CH-

long guan = 0x00FFE21D; //關(guān)激光，CH+

long d00 = 0x00FF6897;

long d10 = 0x00FF30CF;

long d20 = 0x00FF18E7;

long d30 = 0x00FF7A85;

long d40 = 0x00FF10EF;

long d50 = 0x00FF38C7;

long d60 = 0x00FF5AA5;

long d70 = 0x00FF42BD;

long d80 = 0x00FF4AB5;

long d90 = 0x00FF52AD;

/*d00～d90分別表示舵機轉(zhuǎn)到0°～90°的變量，對應(yīng)于遙控板上的數(shù)字0～9按鍵*/

2實現(xiàn)按鍵各項功能的代碼如下：

if （results.value == dec）

{

wz=wz-4;

if（wz<=1）

wz=1;

xs=xs+5;

if（xs>=90）

xs=90;

startRun（wz）; //調(diào)用舵機脈沖函數(shù)

}

上面一段代碼表示如果接收的信號為dec（I??按鍵），則把角度減去4°（小于1后就賦值為1），LCD的顯示值加5°（大于90后就賦值為90）。舵機的轉(zhuǎn)角控制為PWM控制，脈沖周期為20ms，一個周期內(nèi)高電平時間0.5ms～2.5ms分別對應(yīng)舵機0°～180°的位置[5]，StartRun（wz）為調(diào)用控制舵機脈沖函數(shù)。

因為舵機的轉(zhuǎn)角存在誤差，控制其轉(zhuǎn)4°，光線在量角器上剛好相差5°，舵機向左擺動為轉(zhuǎn)角減少，但是入射角和反射角是增大，所以LCD顯示的值變大。按下I??按鍵的代碼如下，與上述過程相似。

if （results.value == inc）

{

wz=wz+4;

if（wz>=73）

wz=73;

xs=xs-5;

if（xs<=0）

xs=0;

startRun（wz）;

}

激光器開關(guān)的代碼如下所示。

if （results.value == kai）//按下CH-，激光器開

{

Serial.println（" light open"）;

digitalWrite（guang，HIGH）;

}

if （results.value == guan） //按下CH+，激光器關(guān)

{

Serial.println（" light close"）;

digitalWrite（guang，LOW）;

}

下面的代碼為入射角與反射角為80°、70°、……的代碼，轉(zhuǎn)角與顯示角度不對應(yīng)的原因也是因為舵機轉(zhuǎn)角存在誤差。

if （results.value == d10） {

Serial.println（"10 degree"）;

wz=8;

xs=80;

startRun（wz）;

}

if （results.value == d20） {

Serial.println（"20 degree"）;

wz=16;

xs=70;

startRun（wz）;

}

………………

4 關(guān)鍵部件的3D打印及實驗儀制作

在該反射折射實驗儀制作過程中，因3D打印技術(shù)在新產(chǎn)品研制中能夠減少成本，縮短研制周期。所以舵機座子、擺桿及反射鏡框采用了3D打印機制作。其制造流程為[6]：建模→導(dǎo)出STL模型文件→STL文件導(dǎo)入3D打印機控制軟件→調(diào)整零件打印放置位置→切片→3D打印機準(zhǔn)備→3D打印→取出零件并去除支撐→打磨，得到的3D打印模型如圖 3所示。反射鏡框上部是一個凹槽，在使用時，反射鏡上面需要放一層水，避免霧氣落在反射鏡表面產(chǎn)生漫反射。

通過零件制作、裝配及控制系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試，最后得到的反射折射實驗儀工作情況如圖 4所示，通過測試，驗證了該實驗儀機械部分設(shè)計的合理性，也驗證了其控制系統(tǒng)、控制程序的可行性。

5 總結(jié)

將單片機、傳感器、三維建模、3D打印等技術(shù)與初高中知識點結(jié)合，能夠在小制作小發(fā)明方面得到一些創(chuàng)新思路，為初高中實驗器材的改進，實驗教學(xué)水平的提升提供一定的支撐。

本研究詳細(xì)介紹了該實驗儀創(chuàng)新設(shè)計的功能導(dǎo)向設(shè)計過程，可以為初高中乃至大學(xué)的創(chuàng)新思維教育提供案例。實驗儀的制作應(yīng)用了3D打印技術(shù)，采用了Arduino?UNO單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)，介紹了該控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程，可以為其它實驗器材的創(chuàng)新設(shè)計提供參考。

參考文獻

[1]熊建新.“探究光反射時的規(guī)律”的實驗探討[J].物理教學(xué)探討，2015（02）：64.

[2]張芳.高職院校基于Arduino的傳感技術(shù)課程教學(xué)研究[J].科技資訊，2020（12）：23+25.

[3]楊鎧睿，姜銳函，徐紅梅.基于Arduino的消防偵查小車設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2020（11）：67-68.

[4]陳合軍.基于Arduino的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（06）：77-78.

[5]常留學(xué)，黃志成.基于Arduino的車輛防酒駕系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2019（24）：130-132.

[6]雷蔓，張衛(wèi)華，何曉芬.基于3D打印的應(yīng)用型本科高校機械原理課程改革與實踐[J].時代農(nóng)機，2017（08）：188+190.

Abstract： The main purpose of optical experiment in Junior high school physics is to let students master the law of reflection and refraction of light. At present， the automation degree of existing light reflection and refraction experimental equipment is low， which is not convenient for experimental teaching. To this situation， the team studied a light reflection and refraction tester. Firstly， Through the functional requirements analysis， We listed the functions that the tester should have， and designed its structure， and determined how it works. Secondly， using arduino?single chip microcomputer as the control core of the tester， studied the hardware composition and software programming of its control system. Finally， using 3D printing and other production techniques， manufactured the light reflection and refraction tester， and carried out the test. The experiment shows that the experiment instrument can meet the expected function and the need of experimental teaching.

Key?words： Light Reflection Refraction; 3D Printing; Experimental Instrument; Single Chip Microcomputer; ?Arduino