利用Arduino和Flash開發DISLab

翁浩峰

(浙江省寧波中學,浙江寧波 315100)

1 Arduino與DISLab簡介

“Arduino,是一個基于開放源代碼的軟硬件平臺,構建于開放源代碼simple I/O接口版,并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境.讓您可以快速使用Arduino 語言與 Macromedia Flash、Processing、Max/MSP、Pure Data、SuperCollider等軟件作出互動作品.Arduino可以使用開發完成的電子元件例如Switch或傳感器或其他控制器件、LED、步進馬達或其他輸出裝置.Arduino也可以獨立運作成為一個可以跟軟件溝通的接口,例如Macromedia Flash、Processing、Max/MSP 、Pure Data、VVVV 或其他互動軟件等.Arduino開發IDE接口基于開放源代碼,可以讓您免費下載使用開發出更多令人驚艷的互動作品.”以上這段文字來自維基百科.Arduino可以連接傳感器,并將傳感器的信號傳輸至計算機,并由計算機上的軟件如Macromedia Flash軟件制作的動畫接受這些信息,并將其顯示出來.Arduino甚至可以接受Macromedia Flash軟件制作的動畫發送的信號,并由此來控制一些動作器件(如步進馬達等).由此可知,通過Arduino我們可以實現外部世界與計算機的互動.

DISLab——(Digital Information System Lab)數字化信息系統實驗室,其基本的構造是傳感器,數據采集器和計算機軟件.基本原理是由數據采集器采集傳感器上的數據,并傳輸到電腦上通過軟件顯示出來.近幾年,DISLab在中學物理實驗中應用比較廣泛,使用的DISLab產品也有很多,例如國內的朗威DISLab系統,GQY DISLab系統等等.

對比 Arduino與DISLab系統,可以發現 Arduino完全可以實現DISLab的各項功能,并且還可以通過軟件反過來控制一些動作器件,加上其構建于開放源代碼,可以實現許多現在的DISLab無法實現的功能.所以用Arduino進行DISLab的開發,能創造出更多獨特的實驗,開發出界面更好的互動課件.

2 利用Arduino與 Flash制作DISLab

筆者下面利用Arduino和做互動課件常用的軟件Macromedia Flash來制作一個DISLab實驗.

本實驗需要1個Arduino開發板和1個超聲波傳感器元件(如圖1所示),以及 1臺安裝了 Flash cs3和Arduino軟件的計算機.

首先對Arduino開發板寫入一下程序(此處省略若干定義語句).

上述寫在Arduino里的程序的功能主要是讀出超聲波傳感器發射超聲波到接受反射回來的波所經過的時間差,然后將這個時間差發送出去,讓電腦接收.

圖1

寫入程序后,將超聲波傳感器的輸入輸出端連接到Arduino的端口4和端口5,電源輸入端連接到Arduino的高電平輸出端,接地端連接到Arduino的接地端.這樣超聲波傳感器與Arduino的連接就完成了.接下去開始寫計算機端的Flash程序.

Arduino與Flash并不能直接通信,必須通過一個服務器轉接,這里選擇Serproxy進行轉接.Serproxy的作用在于它會建立一個xml服務器,將來自Arduino的數據轉換為xml格式,儲存在它臨時建立的虛擬服務器上.然后Flash便可以從serproxy建立的虛擬服務器中讀取xml格式的數據.Serproxy服務器從國外的網站www.arduino.cc上直接下載得到.下面編寫Flash端的程序,因為代碼過多,此處省去,如有需要,可以向筆者索取.

程序完成了將得到的從Arduino發送的時間間隔轉換為距離值,并且完成將距離值實時顯示出來,以及用屏幕上的物塊來實時模擬實際物體的移動.在按下記錄按鈕后能夠每5 ms讀取一個數據,然后對每4個數據取平均,以每20 ms記錄一次將這些數據依次記錄到數組中,并依次顯示出來,同時畫出距離—時間圖像(如圖2所示),還可以通過對圖像的選擇來保留選中的數據.

圖2

通過上述程序,可以看到通過Arduino和Flash開發的這個課件具有實時的測量并記錄物體位移的功能.有了這個功能,可以完成很多物理實驗,例如研究物體加速度與力、質量的關系,研究小球簡諧運動的圖像等等.當然,這個課件在數據處理上的功能可能并不強大,但是我們可以將課件中記錄下來的距離數據復制到 Excel中,利用Excel強大的功能來進行數據的分析和處理,甚至計算出每個時刻物體的速度,畫出速度—時間圖像等等.

3 用開發出來的DISLab進行物理實驗

下面,我們就用剛開發的這個DISLab來完成一個簡單的物理實驗.

實驗任務:研究小車在無外力作用下從某一速度減為零的運動過程,分析小車位移隨時間變化的情況,畫出小車的位移-時間圖像,并用曲線擬合的方式分析小車的運動情況.

首先放置好器材,打開serproxy服務器,打開剛制作完的課件,如果顯示出小車的距離,說明連接成功.試著移動小車,觀察課件中小車的運動情況,如正常,點擊開始采集數據按鈕,然后馬上推動小車給小車一個初速度.觀察課件中的圖線的變化情況,待小車停止后,點擊暫停數據采集按鈕.接下去點擊圖像選擇按鈕,在圖像上點下鼠標左鍵并拖動鼠標,選擇你所要保留的圖像范圍,最后點擊保留選中數據按鈕,在課件的數據表格內便得到了我們這次實驗的數據.

然后將課件中數據表格內的數據全部復制到Excel表格中,注意使用文本導入向導,選擇分隔符號,點擊下一步,再選擇空格,點擊完成.這樣就將課件中的數據復制到了Excel表格中了,這些數據有兩列,第1列為時間,第2列為該時間對應的位移值,單位是cm.接下去便可以利用Excel強大的圖像數據處理功能來分析數據了.選擇插入—圖表里面的XY散點圖,選擇平滑線散點圖,點擊下一步,再點擊完成即可.這樣就將得到的數據又復原成了位移-時間圖像了(如圖3所示).然后再對圖像進行研究,右擊圖像中的圖線,選擇添加趨勢線,在趨勢線里面選擇多項式,階數選擇2,然后在選項里面將顯示公式前面的框里打上鉤,最后點擊確定.這樣就完成了對圖線的研究,觀察趨勢線與圖線是否吻合,如果不吻合,則需要重新添加其他的趨勢線,如吻合,則說明位移與時間滿足這樣的關系.通過位移與時間的關系,我們可以得出小車做的是勻減速直線運動,從關系式也可以得到小車的加速度的大小.

圖3

雖然筆者寫的這個Flash課件功能并不強大,但是因為Arduino的開源性,Flash的強大互動功能,相信可以開發出更多更有新意的實驗課件.也可以一改以往使用傳感器只能夠使用廠商提供界面來操作的缺點,開發出更利于學生接受的全新的界面,并且融入課件與人的互動功能,甚至可以通過課件來控制一些互動器件,來完成一些遠程的實驗操作.

雖然現在傳感器在中學課堂已經普及,但是一些農村學校或者經濟狀況不是很好的學校還是沒有能力采購一整套的傳感器設備.而利用Arduino和Flash開發的DISLab不僅功能上可以達到商用DISLab的功能,并且價格上有著很大的優勢.唯一的不足是對教師的要求過高,但是也可以通過會編程的教師預先制作各個Flash程序模塊,普通教師在制作時將各個模塊拼接便可制作有個性的實驗界面、甚至遠程控制的實驗項目等等.

隨著科技的飛速發展,教師的教學工具乃至教學方法都在不斷的發生著變化.對于一名普通的教師來說,是一直守著自己的那點知識不變還是不斷的學習新的知識,決定了一名教師能否適應未來的教學.在一些商用DISLab不斷在中學普及的時候,我們當然需要努力的學習這種新的教學工具帶來的新的教學方法,并不斷思考如何更好的利用這樣新的教學工具.在應用的時候,也需要帶著一種批判的眼光,畢竟并非科技含量越高的就越好.筆者也是因為在使用這些商業DISLab軟件時感覺軟件界面不是很適合課堂教學,所以才想到用Flash來開發DISLab的界面.但是自己制作的一些傳感器精度上卻很難達到預定的目標,所以Arduino和Flash開發DISLab的路其實非常艱難.筆者非常希望那些商業的DISLab廠商能夠公開其傳感器接口的具體參數,讓我們教師也能使用自制的課件來讀取商業傳感器的數據,畢竟這是一個崇尚創新、崇尚個性的時代.