Arduino在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

單旭晨，唐廷翱，謝慶志，劉書鋼

（1.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000；

2.鞍山和光科技有限公司，遼寧鞍山 114044）

Arduino在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

單旭晨1，唐廷翱2，謝慶志2，劉書鋼1

（1.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000；

2.鞍山和光科技有限公司，遼寧鞍山 114044）

將開源控制平臺(tái)Arduino控制器融入實(shí)驗(yàn)，以A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)和三原色實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)的說(shuō)明了Arduino控制器在物理實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用.

Arduino控制器；A/D轉(zhuǎn)換；三原色

1 Arduino簡(jiǎn)介

Arduino這一開源硬件誕生于意大利米蘭互動(dòng)設(shè)計(jì)學(xué)院，藝術(shù)設(shè)計(jì)的學(xué)生經(jīng)常為沒有好的控制器而煩惱，于是他們提出能否發(fā)明一種即使是“門外漢”也能馬上熟練使用的控制器，來(lái)完成非電子信息專業(yè)同學(xué)的想法.即使這個(gè)想法很異想天開，但是他們做到了，即使從來(lái)沒有語(yǔ)言基礎(chǔ)，也可以通過(guò)這個(gè)小控制器輕松實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性的想法，控制器的創(chuàng)造者本茲和大衛(wèi)把它命名為Arduino.隨著自動(dòng)化程度日漸提高，幾乎每個(gè)學(xué)科都會(huì)用到電子相關(guān)技術(shù)，Arduino就為外專業(yè)提供了一個(gè)很好的開源平臺(tái)［1-6］.正是由于其簡(jiǎn)單易學(xué)，將其融入實(shí)驗(yàn)當(dāng)中則會(huì)起到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開闊實(shí)驗(yàn)思路，讓學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)改進(jìn)、創(chuàng)新出自己的實(shí)驗(yàn)新思路.

Arduino即使不調(diào)用庫(kù)函數(shù)、硬件連接和軟件編程也比以往單片機(jī)簡(jiǎn)單許多.圖1是Arduino與普通單片機(jī)完成同樣串口通信的程序?qū)Ρ?通過(guò)圖1可以很輕易的觀察到Arduino在簡(jiǎn)單易學(xué)方面較以往單片機(jī)有了很大的提高.這樣外專業(yè)有創(chuàng)新想法時(shí)將不必因?yàn)閱纹瑱C(jī)過(guò)于復(fù)雜與專業(yè)無(wú)關(guān)而失去學(xué)習(xí)興趣，而是直接拿起Arduino開源平臺(tái)搭建出自己的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái).下面例舉基于Arduino的物理實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)其簡(jiǎn)單性、擴(kuò)展性、創(chuàng)新性.

圖1 Arduino與普通單片機(jī)的程序?qū)Ρ?/p>

2 模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

通過(guò)Arduino控制器自帶數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片完成A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，數(shù)字量輸入范圍為：0～255，模擬量輸出范圍為：0～＋5 V.連線如圖2所示.

圖2 Arduino控制器完成A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)換公式如下：

例如：數(shù)字量＝11111111，則K7＝1，K6＝1，K5＝1，K4＝1，K3＝1，K2＝1，K1＝1，K0＝1.

模擬量U0＝Vref（29K9＋28K8＋…20K0）/210＝5 V.

利用數(shù)字量控制LED亮度，并嘗試同時(shí)控制多個(gè)LED的亮度.

a.連接Arduino和計(jì)算機(jī)的USB連接線.

b.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面上雙擊Arduino IDE軟件圖標(biāo)，即打開上位機(jī)與實(shí)驗(yàn)板的交互軟件.

c.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常，即安裝Arduino控制器驅(qū)動(dòng)，通信正常繼續(xù).如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

d.在Tools的Board中設(shè)置自己Arduino板的型號(hào)，然后在Tools的Serial Port里設(shè)置連接的COM口號(hào).

e.在編輯窗口編輯實(shí)驗(yàn)程序

點(diǎn)擊運(yùn)行，觀測(cè)13引腳的LED亮度并用萬(wàn)用表測(cè)量電壓值.

f.利用Excel，Matlab畫出數(shù)字量與模擬量的對(duì)應(yīng)曲線.

g.計(jì)算出理論值，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，分析產(chǎn)生誤差的原因.

本實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)講義、實(shí)驗(yàn)過(guò)程到實(shí)驗(yàn)報(bào)告完全電子化，提出所有實(shí)驗(yàn)無(wú)紙化的理念，在提高了教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)環(huán)境生態(tài)的理念進(jìn)行了實(shí)踐.實(shí)驗(yàn)脫離了以往插線式的實(shí)驗(yàn)風(fēng)格，讓學(xué)生不僅僅動(dòng)手插線而是動(dòng)腦創(chuàng)新，同時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器小型化，讓學(xué)生隨時(shí)隨地將想法變成實(shí)踐.

3 三原色實(shí)驗(yàn)

三原色按一定比例混合可以呈現(xiàn)各種光色（圖3）.彩色電視屏幕就是由這紅、綠、藍(lán)3種發(fā)光的顏色小點(diǎn)組成的.當(dāng)白光照射在有色物體上時(shí)，這些物體對(duì)白光有選擇地吸收和反射，反射的光譜成分也各不相同，這時(shí)人們就會(huì)看到不同色彩的物體.例如紅花吸收白光中的黃、青、綠、藍(lán)、紫等色光，而反射紅光，所以看起來(lái)是紅色，所以說(shuō)人們看到的物體色，是物體不吸收或少吸收而反射出來(lái)的不同顏色.在物理實(shí)驗(yàn)中如果用以往單片機(jī)結(jié)合LED操作，物理專業(yè)本身便對(duì)單片機(jī)認(rèn)識(shí)較淺，看到繁瑣的C語(yǔ)言編碼更是對(duì)實(shí)驗(yàn)望而卻步.而Arduino簡(jiǎn)單的幾根連線和短短十?dāng)?shù)行的代碼，則會(huì)讓學(xué)生燃起學(xué)習(xí)的熱情.

圖3 三原色原理

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a.連接Arduino和計(jì)算機(jī)的USB連接線，如圖4所示.

圖4 Arduino控制器完成三原色實(shí)驗(yàn)

b.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面上雙擊Arduino IDE軟件圖標(biāo)，即打開上位機(jī)與實(shí)驗(yàn)板的交互軟件.

c.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常，即安裝Arduino控制器驅(qū)動(dòng)，通信正常繼續(xù).如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

d.在Tools的Board中設(shè)置自己Arduino板的型號(hào)，然后在Tools的Serial Port里設(shè)置連接的COM口號(hào).

e.在編輯窗口編輯實(shí)驗(yàn)程序

int Pin1＝0；//電位器1第二針腳接在模擬口0上

實(shí)驗(yàn)程序中只給出控制1個(gè)LED亮度的例程，學(xué)生通過(guò)軟件、硬件的學(xué)習(xí)模仿制作出紅、綠、藍(lán)3種顏色的LED亮度控制.在學(xué)習(xí)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，復(fù)習(xí)了電路知識(shí)、C語(yǔ)言知識(shí)，激發(fā)創(chuàng)造思維、燃起學(xué)習(xí)興趣.程序中利用3個(gè)模擬輸出引腳控制LED中紅綠藍(lán)3種顏色的亮度，從而改變?nèi)谋壤?學(xué)生可以親自動(dòng)手調(diào)制出自己想要的顏色，同時(shí)對(duì)比3種顏色在人眼中不同的感應(yīng)度.從而理解為什么陰極射線管電視可以僅僅用3個(gè)顏色的小格組成1幅幅清晰的圖像，也知道了3種顏色即使在相同條件下對(duì)人眼引起的反應(yīng)是不同的.

4 課堂創(chuàng)新結(jié)果

利用Arduino控制器的實(shí)驗(yàn)在器材上拋棄了“鐵箱子”、在思想上拋棄了“黑箱子”，將實(shí)驗(yàn)儀器小型集成化、實(shí)驗(yàn)過(guò)程創(chuàng)新化、實(shí)驗(yàn)課堂化，將物理實(shí)驗(yàn)帶入物理課堂.在學(xué)習(xí)枯燥乏味的基礎(chǔ)知識(shí)中注入現(xiàn)代化、創(chuàng)造性的甘泉，真正從學(xué)生興趣激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力.基于Arduino的實(shí)驗(yàn)器材最大不過(guò)A4紙大小，教室可以很方便的將實(shí)驗(yàn)引入課堂.同時(shí)Arduino控制器為開源平臺(tái)，制作、購(gòu)買方便經(jīng)濟(jì)，上課時(shí)完全可以讓學(xué)生人手1臺(tái)，發(fā)揮創(chuàng)造力、提高動(dòng)手能力.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Arduino控制器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用范圍極廣，從中學(xué)課堂到高校課堂均可做相關(guān)實(shí)驗(yàn)，甚至研究生也利用其作為傳感、處理裝置與Mat Lab，Lab VIEW等高端軟件結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，充分發(fā)揮了擴(kuò)展性、兼容性.目前已在幾所東北高等院校實(shí)驗(yàn)，課堂學(xué)習(xí)效果較好、學(xué)生課堂熱情極高.通過(guò)Arduino與課堂結(jié)合，學(xué)生已發(fā)表數(shù)篇教育文章，獲專利、項(xiàng)目若干，省、校級(jí)電子大賽獎(jiǎng)項(xiàng)若干.

［1］ 崔才豪，張玉華，楊樹財(cái).利用Arduino控制板的光引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)小車設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32（9）：6-8.

［2］ 蔡睿妍.基于Arduino的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（15）：4-5.

［3］ 紀(jì)欣然.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：99-101.

［4］ 凱姆·卡爾文，泰勒·卡爾文，龐明珠.Arduino與電子制作［J］.電子制作，2012（8）：68-73.

［5］ Drum Master.IntroductiontoDrum Master［EB/OL］.http：//drummaster.digitalcave.ca/.2012.5.3.

［6］ Arduino Team.ArduinoDuemilanove［EB/OL］.http：//arduino. cc/en/Main/ArduinoBoardDuemilanove.2012.5.5.

［7］ 李秀梅，吳群勇，肖韶榮.發(fā)光二極管的光電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，33（12）：1-4.

［8］ 王悅，李澤深，劉維.LED發(fā)光二極管特性測(cè)試［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，33（2）：21-24.

［責(zé)任編輯：郭 偉］

Application of Arduino controller in physics experiment

SHAN Xu-chen1，TANG Ting-ao2，XIE Qing-zhi2，LIU Shu-gang1
（1.School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150000，China；
2.Anshan and Light Technology Co.，LTD，Anshang 114044，China）

The simple open source controller Arduino was used in physics experiment.Taking A/D conversion experiment and three-primary colors experiment as examples，the specific application of Arduino controller in physics experiment were explained in detail.

Arduino controller；A/D conversion；three-primary colors

O4-39

A

1005-4642（2014）10-0029-03

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2014-06-20；修改日期：2014-07-09

單旭晨（1990－），男，遼寧綏中人，黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生，從事物理檢測(cè)、光電創(chuàng)新式教育方面的研究.

劉書鋼（1956－），男，山東倉(cāng)樂(lè)人，黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院教授，博士，研究方向SPR檢測(cè)技術(shù)、光偏振檢測(cè)、光電創(chuàng)新式教育.