基于Arduino單片機(jī)及3D打印技術(shù)的光反射折射實(shí)驗(yàn)儀的開(kāi)發(fā)

雷蔓　楊松　聶祥榮　李江

摘要：初中物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器材自動(dòng)化程度低，不方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本團(tuán)隊(duì)研究了一種光反射折射實(shí)驗(yàn)儀，首先通過(guò)功能需求分析，列出了該實(shí)驗(yàn)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(jī)作為該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀的制作，并進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該實(shí)驗(yàn)儀能夠滿(mǎn)足預(yù)期的功能和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

關(guān)鍵詞：光反射折射;3D打印;實(shí)驗(yàn)儀;單片機(jī);Arduino

中圖分類(lèi)號(hào)：TK464 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2020-06-02

作者簡(jiǎn)介：雷蔓 （1985-?），男，講師，碩士，研究方向：先進(jìn)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(gè)重要實(shí)驗(yàn)[1]，目前大多數(shù)光的反射折射實(shí)驗(yàn)器材需要手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度不高，光路看得不是很清楚，科技感不強(qiáng)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性、好奇心不夠。

針對(duì)上述問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)研究了一種基于Arduino單片機(jī)控制的自動(dòng)化光反射折射實(shí)驗(yàn)儀，其樣機(jī)的制作過(guò)程中部分零件還用了3D打印機(jī)打印，實(shí)驗(yàn)儀科技感強(qiáng)，能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該實(shí)驗(yàn)儀不僅能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)光的折射反射規(guī)律，還能夠啟發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的思考與向往。

2 光反射折射實(shí)驗(yàn)儀方案設(shè)計(jì)及工作原理

該反射折射實(shí)驗(yàn)儀最終的方案如圖 1所示。

在方案設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，要提出明確的目標(biāo)，就是所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)儀要能夠達(dá)到什么功能。根據(jù)光的反射折射知識(shí)點(diǎn)得出，光的反射折射實(shí)驗(yàn)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(guò)研究團(tuán)隊(duì)的討論與反復(fù)研究，確定了該實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)（圖 1）和工作原理，

其工作過(guò)程通過(guò)紅外遙控器發(fā)出信號(hào)，由Arduino單片機(jī)控制完成。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中心與量角器中心重合，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿上端的激光器發(fā)出的激光通過(guò)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(kāi)關(guān)按鍵、舵機(jī)正反轉(zhuǎn)按鍵、舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定角度按鍵。

要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)水霧發(fā)生器，待該實(shí)驗(yàn)儀上部充滿(mǎn)水霧后，再打開(kāi)激光器，光在水霧里面?zhèn)鞑?，產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象，就會(huì)很清晰的看見(jiàn)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(jī)根據(jù)舵機(jī)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(yàn)證反射光與入射光在同一平面上。

觀察光的折射實(shí)驗(yàn)，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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

用到的元器件有Arduino UNO控制板[2]、Arduino Sensor Shield V5.0擴(kuò)展板、舵機(jī)、激光頭、LCD1602、LCD專(zhuān)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(huà)圖時(shí)部分元件用其他代替），擴(kuò)展板插裝在Arduino UNO控制板上，LCD1602與其專(zhuān)用I2C轉(zhuǎn)接板連接好后，與Arduino UNO控制板的SCL、SDA端連接，舵機(jī)、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(jì)

Arduino單片機(jī)硬件軟件都具有開(kāi)放共享的特點(diǎn)，很多復(fù)雜的協(xié)議和元器件底層的代碼都有第三方庫(kù)可以調(diào)用[3]，給編程帶來(lái)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(lèi)庫(kù)[4]，由于篇幅有限，這里僅討論直接實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)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(hào)管腳

int SERVOPIN = 3; //舵機(jī)控制管腳

int guang = 7;//激光開(kāi)關(guān)控制管腳

int wz，xs;//wz為舵機(jī)角度、xs為L(zhǎng)CD顯示角度

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

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

long kai = 0x00FFA25D; //開(kāi)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(jī)轉(zhuǎn)到0°～90°的變量，對(duì)應(yīng)于遙控板上的數(shù)字0～9按鍵*/

2實(shí)現(xiàn)按鍵各項(xiàng)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(jī)脈沖函數(shù)

}

上面一段代碼表示如果接收的信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)角控制為PWM控制，脈沖周期為20ms，一個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)間0.5ms～2.5ms分別對(duì)應(yīng)舵機(jī)0°～180°的位置[5]，StartRun（wz）為調(diào)用控制舵機(jī)脈沖函數(shù)。

因?yàn)槎鏅C(jī)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(jī)向左擺動(dòng)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(guò)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(kāi)關(guān)的代碼如下所示。

if （results.value == kai）//按下CH-，激光器開(kāi)

{

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(duì)應(yīng)的原因也是因?yàn)槎鏅C(jī)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(shí)驗(yàn)儀制作

在該反射折射實(shí)驗(yàn)儀制作過(guò)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(jī)座子、擺桿及反射鏡框采用了3D打印機(jī)制作。其制造流程為[6]：建?！鷮?dǎo)出STL模型文件→STL文件導(dǎo)入3D打印機(jī)控制軟件→調(diào)整零件打印放置位置→切片→3D打印機(jī)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(gè)凹槽，在使用時(shí)，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(guò)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(shí)驗(yàn)儀工作情況如圖 4所示，通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)儀機(jī)械部分設(shè)計(jì)的合理性，也驗(yàn)證了其控制系統(tǒng)、控制程序的可行性。

5 總結(jié)

將單片機(jī)、傳感器、三維建模、3D打印等技術(shù)與初高中知識(shí)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀創(chuàng)新設(shè)計(jì)的功能導(dǎo)向設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)驗(yàn)儀的制作應(yīng)用了3D打印技術(shù)，采用了Arduino?UNO單片機(jī)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(jì)過(guò)程，可以為其它實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]熊建新.“探究光反射時(shí)的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)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(chē)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020（11）：67-68.

[4]陳合軍.基于Arduino的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(chē)輛防酒駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)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(jī)械原理課程改革與實(shí)踐[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，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