基于Arduino的重力加速度測量儀

楊磊

摘要：利用單擺測量加速度實驗是高中物理最經典的實驗之一，它在各級公開課、各省市高考中頻繁出現，是高中物理教學的重點內容之一。本文提出，將開源控制平臺Arduino控制器結合傳感器融入實驗，不僅能夠提高學生學習興趣，開闊其實驗思路，而且可讓學生在做實驗的過程中對自己的實驗思路進行改進并創新。

關鍵詞：Arduino；傳感器擴展版；藍牙

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）20-0065-03

基于Arduino的重力加速度測量儀有效提升了傳統實驗的效率。它充分利用開源硬件的優勢，并將計算思維融入教具研發的全過程，使用C語言進行軟件開發，實現了數學計算；它通過運用蜂鳴器、數碼顯示管、藍牙傳感器等，使實驗全過程高度自動化、細節可視化。不僅如此，它還克服了使用傳統教具過程中的人為干擾因素。例如，紅外傳感器代替人工計數，消除計數過程中的人為誤差；利用電磁鐵釋放金屬小球能避免因人為釋放導致單擺變成螺旋擺的失誤等。

● 硬件搭建及外觀設計

該儀器的硬件平臺為Arduino，它是當前全球最流行的開源硬件之一，為全球開發者提供廣闊的硬件開發平臺環境，代表著未來硬件開發的新趨勢。Arduino簡便的開發方式使得開發者更能關注創意與實現，高效地完成項目的開發任務，大大節約學習成本，縮短項目的開發周期。該儀器的底座由環保塑料積木搭建而成，整體無焊接、無膠水，內部硬件通過杜邦線連接，體現即拆即用的設計風格，實現核心組件及傳感器的重復利用，如圖1及下頁表。

● 軟件設計

Arduino IDE基于Processing IDE開發，對于初學者來說，它不僅極易掌握，而且具有足夠的靈活性。Arduino語言基于Wiring語言開發，是對avr-gcc庫的二次封裝，它不需要太多的單片機基礎及編程基礎，就可快速地進行開發。該儀器的程序用C語言編寫而成（如下頁圖2），由四大功能模塊組成。

（1）初始化模塊，對傳感器引腳進行定義及賦初值；

（2）輸入輸出模塊，為用戶提供清晰的操作提示，實現在數碼管及外接終端上整個計數過程的可視化，并將輸出結果分別顯示在數碼管及終端上；

（3）傳感器功能模塊，負責紅外傳感器、電磁鐵、超聲波傳感器的功能實現；

（4）藍牙通信模塊，實現與藍牙終端設備的連接。

● 操作步驟

將該儀器放置在水平桌面，用數據線連接電腦或藍牙連接手機、PAD。安裝鐵架臺和單擺裝置。單擺小球球心與儀器的紅外線傳感器探頭保持水平，以紅外線紅色指示燈長亮為準。該儀器利用串口與終端進行通信，終外端需安裝敞口通信軟件，如sscom32等。通電后，計算機終端會顯示歡迎界面和操作選項。如事前已知擺長（100cm以內），請在終端上輸入“Y”；然后按儀器上第二個按鈕，調節數碼管，使顯示屏顯示已知擺長的數值；再按第三個按鈕確定。如需測量擺長，請在終端上輸入“N”；然后把超聲波傳感器放置在小球底端并長按第二個按鈕，當終端上重復顯示測量值時松開按鈕；再將小球移到懸點處，按第三個按鈕重復之前步驟。該過程可借助CD碟盤托住小球，便于測量。當擺長確定，電磁鐵通電開始工作。將小球靠近電磁鐵，使其被電磁鐵吸住。在終端上輸入“A”，電磁鐵斷電停止工作，小球開始做單擺運動。紅外線傳感器開始計數，并在終端上顯示計數過程，當計數達到40次，蜂鳴器響起。在終端上（電子白板或手機屏幕）顯示測量結果：擺長、周期和重力加速度（如上頁圖3～5）。

● 小結

基于Arduino的重力加速度測量儀結構簡單，操作方便，便于教學推廣，其全部過程高度自動化，細節可視化，減少操作者進行手動操作和人工計算時產生的誤差，驗證結果準確，能夠讓學生直觀、明了地理解利用單擺原理測量重力加速度的方法和步驟。該儀器在教學應用過程中對學生能夠產生積極影響，進而有利于學生主動參與，師生互動、合作交流，激發學生和教師的創作熱情。endprint