從調(diào)光臺燈到角度傳感器的標定

吳俊杰 項華

在信息技術(shù)實驗中，我們將有兩種狀態(tài)的量成為數(shù)字量（二值量），如LED在數(shù)字輸出狀態(tài)下，只有0和1、低和高兩種狀態(tài);按鈕在數(shù)字輸入狀態(tài)下也是只有0和1、按下和抬起兩個狀態(tài)。但是如果用蠟燭和LED比較，我們會發(fā)現(xiàn)蠟燭的火焰忽明忽暗，這意味著存在滅到最亮間的很多狀態(tài)，其實計算機也可以“模擬”自然界中的這種有多個狀態(tài)的情形，我們稱為模擬量（多值量）。調(diào)光臺燈就是一個用旋鈕作為模擬輸入控制模擬輸出的LED燈的亮度的典型案例。旋鈕是常見的模擬量傳感器，一般來講，其變化范圍跟主控芯片的位數(shù)有關(guān)，arduino是0～1023，掌控板是0～4095，本案例從調(diào)光臺燈出發(fā)到完成一個量角器的標定，體現(xiàn)了一個從創(chuàng)客造物到科學(xué)探究的完整的數(shù)字科學(xué)的研究過程。

● 創(chuàng)客造物

調(diào)光臺燈在生活中很常見，用一個旋鈕可以控制上面燈泡的亮度，這樣做一方面節(jié)約電能，另一方面可以將閱讀光線控制在合適的范圍，有助于保護視力。目前這種調(diào)光臺燈也在不斷地智能化。在A-STEM創(chuàng)客課程中，我們常將創(chuàng)客造物和科學(xué)探究結(jié)合起來，有時造物作為科學(xué)探究的情境，有時探究作為造物的基礎(chǔ)，本案例就是一個從創(chuàng)客造物到科學(xué)探究的典型案例。

本案例使用makerbrush來設(shè)計外觀，套件提供了一組Laserblock開源積木，同樣我們也可以用它們來搭建比較結(jié)實耐用的結(jié)構(gòu)，這里需要搭建一個直角結(jié)構(gòu)和一個90度轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)，此外還涉及如何用短梁生成長梁的技巧（如圖1）。

將端口P0外接一個旋鈕，通過掌控板顯示出P0的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)P0的變化范圍是0～4095，有4096個狀態(tài)，相當(dāng)于2的12次方（如下頁圖2）。

實驗發(fā)現(xiàn)，模擬輸出的范圍是0～1023，有1024種狀態(tài)，是模擬輸入狀態(tài)的四分之一，這說明要把P0的范圍換算為P8號引腳的范圍，需要將P0數(shù)值除以4，為了保證不超出范圍，使用了向下舍入（向下取整）的換算技巧（如下頁圖3）。

調(diào)試完程序，完成結(jié)構(gòu)件搭建（如下頁圖4），創(chuàng)客作品就初步完成了，從信息系統(tǒng)的角度來看，旋鈕起到了信息輸入的作用，LED燈起到了信息輸出的作用。

2.旋鈕的標定實驗

在使用旋鈕的過程中，我們發(fā)現(xiàn)旋鈕的輸入的模擬值會伴隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，而且當(dāng)角度一定的時候，旋鈕的輸入模擬值也會不變，這說明角度和模擬值之間存在一個“穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系”，因而可以設(shè)計一個旋鈕的標定實驗，給定一個角度，記錄其模擬量輸入值。

實驗裝置是一個半圓形的量角器，在圓心處放置一個旋鈕，旋鈕的旋動部分和圓心重合。旋鈕上部固定一個指針，將旋動角度和旋鈕數(shù)值之間的關(guān)鍵固定下來，指針設(shè)計得比較長，尖端部分也比較尖（如圖5），其目的是在控制旋轉(zhuǎn)角度的時候更加精確。

制作完成的標定實驗裝置如圖6所示，在讀取數(shù)據(jù)的過程中應(yīng)注意旋鈕在物理特性上屬于電阻型旋轉(zhuǎn)電位器，這種器件在順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)的時候，在同一個位置的時候由于劃片內(nèi)部的張力，可能引起輸入電阻不同，因此在標定實驗中，要保證向一個方向撥動指針，并且盡量不要來回撥動。如果撥動過了一個刻度，就要重新回到零點再向這個數(shù)值撥動，撥動的方向保持一致，此外在讀數(shù)上，應(yīng)保證視線看向指針末端與量角器所在平面垂直，這樣能夠避免視線偏移可能帶來的誤差。

在實驗過程當(dāng)中量角器的每一個角度數(shù)值，記錄一個P0的數(shù)值（如圖7），并且通過繪制圖像，讓計算機自動找到P0和角度之間的換算關(guān)系（如圖8），可以看出，在角度數(shù)值為50～180度之間的時候，函數(shù)的線性關(guān)系比較好，在0～50度之間，出現(xiàn)了比較大的偏移直線的現(xiàn)象，這是電位器碳粉圖層的厚度不夠均勻?qū)е碌?。至此，旋鈕的標定實驗完成。

2.實驗應(yīng)用

應(yīng)用角度和P0之間的換算關(guān)系，可以完成下面的程序制作一個數(shù)字量角器，自動地顯示出指針和初始位置之間的夾角，在掌控板的第一行顯示P0端口旋鈕的模擬輸入數(shù)值，第二行顯示出角度（如圖9）。

由于旋鈕傳感器的線性特性并不是非常理想，因此該量角器還需要進行一些改進，可以使用分段函數(shù)來替代線性函數(shù)，通過查表的方式確定P0端口模擬量數(shù)值和量角器角度的關(guān)系。當(dāng)然，也可以更新電位器，選用線性特性更好的旋轉(zhuǎn)電位器來完成實驗。

角度傳感器是一種常用的而且比較重要的傳感器類型，一般來講創(chuàng)客項目當(dāng)中常常用它來控制舵機的角度或者調(diào)整LED的亮度，有時候也會用來控制條件判斷的閾值。本案例使用科學(xué)探究常用的數(shù)碼探科學(xué)的方式來進行從創(chuàng)客造物到科學(xué)探究的一個自然的銜接，體現(xiàn)了一種科創(chuàng)融合的教學(xué)理念，值得一線教師和創(chuàng)客課程研發(fā)者進一步地思考其在未來創(chuàng)客教育中的應(yīng)用前景。

作者簡介：吳俊杰（1982—），男，黑龍江鶴崗人，北京師范大學(xué)物理學(xué)系2020級博士研究生;項華（1964—），男，安徽合肥人，北京師范大學(xué)物理學(xué)系教授，教育學(xué)博士，通訊作者。