無線DIS實驗系統(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)

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無線DIS實驗系統(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實驗在高中物理課堂中開始流行，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實驗的使用．用無線傳輸來取代之前的有線連接，可以更大地擴(kuò)展DIS實驗的使用，新的測量工具的產(chǎn)生也必定帶來新的實驗方法．

DIS實驗系統(tǒng) 無線力傳感器 物理教學(xué)

力的測量在高中物理實驗中非常重要，傳統(tǒng)的實驗中會用到彈簧測力計來測量力，在DIS實驗流行后有了力傳感器來測量力．使用力傳感器可以近似連續(xù)地記錄所受到的力，已經(jīng)可以做到力的動態(tài)測量了．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，這樣測量的方式大受限制，例如物理實驗中經(jīng)常會遇到的運動物體的受力測量實驗等等都無法用有線力傳感器來測量．雖然市面上也出現(xiàn)了無線的力傳感器，但是無論在穩(wěn)定性還是精確性上都存在問題．筆者針對這些問題，開發(fā)了一種無線力傳感器．

1 無線DIS系統(tǒng)的設(shè)計

無線力傳感器與傳統(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．無線力傳感器的最關(guān)鍵問題是無線數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇．現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)傳輸方式有很多，藍(lán)牙和WIFI都能滿足無線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))的無線電技術(shù)．利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路．

1.1 傳感器端設(shè)計

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)來進(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

利用Arduino處理來自傳感器的數(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

數(shù)據(jù)采集器端主要用來接受來自傳感器端的數(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

藍(lán)牙主機模塊1會自動連接傳感器端1中的藍(lán)牙從機模塊，藍(lán)牙主機模塊2會自動連接傳感器端2中的藍(lán)牙從機模塊，并且數(shù)據(jù)采集器端的Arduino能自動識別來自哪個傳感器端的數(shù)據(jù)．因為大多數(shù)計算機已經(jīng)集成了藍(lán)牙模塊，所以這個結(jié)構(gòu)可以簡化為圖3所示結(jié)構(gòu).

圖3 簡化結(jié)構(gòu)

1.3 計算機端軟件的設(shè)計

由于不管是Arduino通過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)來控制Flash動畫界面上的某些元素，實現(xiàn)實時模擬的DIS實驗，并且當(dāng)實驗結(jié)束后可以讓已經(jīng)記錄下來的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)模擬實驗的回放或者慢放，來增加演示實驗的可視性．

2 無線力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 第一版無線力傳感器的設(shè)計和制作

由于高中物理實驗中測量的力普遍較小，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為兩個電阻應(yīng)變片，將這兩個應(yīng)變片和兩個定值電阻一起組成一個橋式電路，當(dāng)在傳感器右端施加壓力時，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，通過對橋式電路電壓的測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物圖如圖5所示.

圖5 應(yīng)變梁式傳感器實物圖

由于應(yīng)變梁式傳感器受壓時形變很小，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?。m然Arduino可以直接采集模擬電壓值，但是精度很低，無法識別來自力傳感器的電壓變化，所以必須對這個電壓進(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．最終確定了利用HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來進(jìn)行測量．圖6中A-，A+端用來接傳感器的電壓輸出端，RX和TX端用來連接Arduino，輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號．

圖6 HX711摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

通過對Arduino編寫程序，讓其接受來自HX711的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后通過藍(lán)牙發(fā)射出去．由于無線力傳感器需要工作在運動的物體上，所以還必須為其提供單獨的電源，這里使用了9 V可充電方形鋰電池來供電，圖7為最終制作出來的實物圖.

圖7 應(yīng)變梁式力傳感器實物圖

雖然成功地設(shè)計并制作了無線力傳感器，也成功地利用其采集到了數(shù)據(jù)，但是在使用過程中卻發(fā)現(xiàn)了一個缺陷．那就是如果靜態(tài)的使用這個傳感器，它沒有任何問題，但是一旦利用它來測量運動物體的受力時，傳感器上用來連接物體的鉤子本身由于存在質(zhì)量，在變速運動時會產(chǎn)生力的變化，從而導(dǎo)致力測量的誤差．

2.2 改進(jìn)版無線力傳感器的設(shè)計與制作

為了抵消鉤子在變速運動時產(chǎn)生的力，筆者設(shè)計了雙應(yīng)變梁式力傳感器，成功地解決了這個問題．基本原理是在一個傳感器中放入兩個相同的應(yīng)變梁式力傳感器，其中一個連接鉤子用來連接外部物體，另外一個只連接一個配重．這樣當(dāng)傳感器在運動中有加速度時，利用連接配重的力傳感器的數(shù)據(jù)來計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．在沒有連接外部物體時，如果晃動第一版無線力傳感器或者傳統(tǒng)的力傳感器，就會發(fā)現(xiàn)讀數(shù)會發(fā)生改變；但是如果晃動雙應(yīng)變梁式無線力傳感器，這個數(shù)據(jù)始終是不變的．也就是說它成功地抵消了在變速運動時鉤子產(chǎn)生的力的變化．雙應(yīng)變梁式無線力傳感器的實物如圖8所示.

圖8 雙應(yīng)變梁式無線力傳感器實物圖

2.3 無線DIS系統(tǒng)的具體實現(xiàn)——數(shù)據(jù)采集器端的具體制作

由于需要連接兩個或者兩個以上的藍(lán)牙模塊，而每個藍(lán)牙模塊都要占用一路串口，所以選擇了Arduino MEGA 2560來作為數(shù)據(jù)采集器端的控制器，筆者在設(shè)計的時候只使用了兩路藍(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 計算機端軟件的制作

由于Flash動畫可以接受來自串口的數(shù)據(jù)，所以本套DIS系統(tǒng)使用Flash動畫來代替?zhèn)鹘y(tǒng)DIS系統(tǒng)的軟件．Flash動畫的優(yōu)點是可以針對每個具體的實驗制作不同的動畫界面．圖10為針對單個無線力傳感器數(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)打開無線傳感器時，軟件會自動識別傳感器，并會顯示傳感器此刻的狀態(tài)．當(dāng)開始讀取數(shù)據(jù)時，會有實時的數(shù)據(jù)顯示．傳感器的清零按鈕設(shè)計在傳感器上面，軟件中沒有再設(shè)．這個軟件只是完成了一個最基礎(chǔ)的功能，圖像的繪制與數(shù)據(jù)記錄．當(dāng)然針對具體不同的實驗，軟件的界面可以進(jìn)行單獨設(shè)計．

4 利用無線傳感器進(jìn)行實驗

下面就利用這套無線DIS系統(tǒng)來完成一個具體的實驗——牛頓第二定律實驗中小車受力的測量．

在傳統(tǒng)實驗中，是用重物的重力來代替小車的受力，為了控制誤差，在實驗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線力傳感器，直接測量小車受到的拉力．具體的裝置如圖11所示.

圖11 無線傳感器測量小車的受力

在小車和無線力傳感器質(zhì)量大約為450 g，重物質(zhì)量為50 g的情況下，得到如圖12的實驗數(shù)據(jù)，可以看到小車靜止時和加速運動時的受力大約有10%的差距．

圖12 實驗數(shù)據(jù)

5 無線DIS實驗展望

隨著科技的發(fā)展，無線DIS實驗取代有線DIS實驗是必然的趨勢．無線DIS實驗有著很多的優(yōu)勢，一是實驗器材間沒有了數(shù)據(jù)線的束縛，使實驗更加簡潔方便；二是可以使用無線傳感器測量很多之前無法測量的量，例如動態(tài)物體的受力等等；三是由于無線DIS實驗的特點，可以開發(fā)很多新的實驗．

2015-03-23)