Mixly開源項目設計9：多量程歐姆表

賀凱強

作為一名創客，如果要完成一件讓自己滿意的作品，對作品原型的改進是必不可少的。作品原型必定有很多不如意的地方，所以創客們要對作品加以改進以使其達到自己的預期，這是工程設計的特點，也是創客本身的魅力所在。因此，在創客教育中，創客教師同樣需要有足夠的耐心和心理準備允許并鼓勵學生改進自己的作品，使其在“發現問題—提出猜想—實施方案—解決問題”的過程中，既能優化作品，又能達到提升解決問題能力的目的。

上一期文章介紹了自制歐姆表的作品創意。但在測試階段，我們發現測量0～1KΩ的電阻時，指針的偏轉角度很小，誤差很大。不知道大家有沒有想出優化方案呢？對于這個問題，仁者見仁，智者見智。我也提出了解決方案，供大家參考。

如圖1，這是原歐姆表的儀表盤。表盤的量程為0～10KΩ。經過測試，發現0～1KΩ的電阻測量誤差較大，需要進一步優化作品，增加0～1KΩ的精確度。一定要注意，這里的誤差是指指針指示的誤差，如果用串口監視器觀察電阻值，就會發現串口顯示的數值誤差較小，一旦轉換成舵機的變化角度，誤差就很明顯。

那么，如何解決這個問題呢？真實的指針式電壓表或者電流表一般有兩個量程，并且兩個量程共用一個表盤。由此可以做出猜想，歐姆表的大小量程是否可以共用一個表盤呢？將0～1 KΩ放大到整個表盤上，是否能實現0～1KΩ小量程段的精確測量？

改裝

首先對表盤進行改進，在同一個表盤標明兩個量程。如圖2，在原有的基礎上，將1KΩ均勻分成10份。每一份表示0.1KΩ，最小刻度為0.05KΩ。這是歐姆表改進的第一步。

除了對表盤進行改進外，是否還需要改進原歐姆表的電路連接呢？上文已經提到，對0～1KΩ電阻測量時，串口監視器觀測到的電阻值顯示精確，但轉換成為舵機顯示的數值時誤差較大，因此可以推斷出，電阻的計算公式完全正確，但在電阻值對應舵機角度變化的程序編寫上，需要進一步優化。因此，多量程歐姆表電路連接圖與原有電路圖相比，只增加紅、綠LED燈。綠燈和紅燈正極分別連接到2、3管腳，負極共地。紅、綠LED燈因程序需要添加，下文會詳述（如上頁圖3）。

玩轉

重新編寫程序，需要設置多量程歐姆表的量程為0～1KΩ與0～10 KΩ。當程序檢測到電阻小于1KΩ時，r值放大100倍，與表盤100度對應；當檢測到電阻大于1KΩ時，r值放大10倍，與表盤100度對應。這個程序仍會出現一個問題：觀察者不知道舵機顯示的阻值是大于1KΩ還是小于1KΩ。因此，有必要加入提示，我們為電路添加紅綠燈，區分電阻大小。當檢測到電阻大于等于1 KΩ時，紅燈亮；當檢測到電阻小于1KΩ時，綠燈亮。打開Mixly圖形化編程，編寫程序。

程序的編寫大致分為三個部分：第一個部分是對變量的定義，第二個部分是各個小程序的編寫，第三個部分是用程序語句連接各個小程序，實現多量程歐姆表的功能。

第一部分程序定義變量。定義analog變量為小數變量，初始值為0，模擬端口A0的數值會賦予這個變量。同理，經過歐姆定律公式計算，得到的待測電阻數值用r來表示：r擴大10倍得到的數值賦予a，a表示0～10KΩ電阻；r擴大100倍得到的數值賦予b，b表示0～1KΩ電阻（如圖4）。

第二部分是各個小程序的編寫。首先根據歐姆定律，編寫待測電阻的計算程序。將模擬端口的A0數值賦予analog變量，再代入計算公式中。這里的計算公式與上述歐姆定律的計算公式一致。不同的是，總電壓V原先是5V，現在是與5V對應的1023，而電壓V1用變量analog表示。

名為“電阻”的程序被執行后，會得到待測電阻的精確數值r。程序如上頁圖5所示。

舵機顯示0～1KΩ電阻測量值，首先將數值r放大100倍，之后與舵機旋轉角度一一對應，同時綠燈亮，程序如上頁圖6所示。輸出管腳2為高、3為低表示綠燈亮、紅燈滅。

舵機顯示0～10KΩ電阻測量值，首先將數值r放大10倍，之后與舵機旋轉角度一一對應，同時紅燈亮，程序如上頁圖7所示。輸出管腳2為低、3為高表示綠燈滅、紅燈亮。

第三部分程序，是用邏輯關系連接第二部分的程序。如果r小于1KΩ，執行“0～1KΩ程序”，如果r大于等于1KΩ，執行“0～10KΩ程序”。需要注意的是，要想使歐姆表能夠及時復位，當不測量阻值，即analog變量等于0時，將指針旋轉到10KΩ的位置。具體程序如上頁圖8所示。

最后，連接三部分程序，得到最終程序，如圖9所示。

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如果我們想要進一步提高歐姆表的精度，可擴大舵機的最大旋轉角度，同時縮小最小刻度對應的角度。如果想要擴大歐姆表的量程，可適當增加電路中定值電阻的阻值。多量程歐姆表已經完成制作，自制的多量程歐姆表和真正的歐姆表一樣，可以測量電路試驗中的電阻值，我們可以使用歐姆表完成“探究電位器的阻值變化”的實驗。這正是驗證多量程歐姆表精確度的好機會。

本案例的分享視頻將會在以下公眾號中陸續登載。