Arduino在物理实验中的应用

单旭晨，唐廷翱，谢庆志，刘书钢

（1.黑龙江大学电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150000；

2.鞍山和光科技有限公司，辽宁鞍山 114044）

Arduino在物理实验中的应用

单旭晨1，唐廷翱2，谢庆志2，刘书钢1

（1.黑龙江大学电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150000；

2.鞍山和光科技有限公司，辽宁鞍山 114044）

将开源控制平台Arduino控制器融入实验，以A/D（模数）转换实验和三原色实验为例，详细的说明了Arduino控制器在物理实验中的具体应用.

Arduino控制器；A/D转换；三原色

1 Arduino简介

Arduino这一开源硬件诞生于意大利米兰互动设计学院，艺术设计的学生经常为没有好的控制器而烦恼，于是他们提出能否发明一种即使是“门外汉”也能马上熟练使用的控制器，来完成非电子信息专业同学的想法.即使这个想法很异想天开，但是他们做到了，即使从来没有语言基础，也可以通过这个小控制器轻松实现创造性的想法，控制器的创造者本兹和大卫把它命名为Arduino.随着自动化程度日渐提高，几乎每个学科都会用到电子相关技术，Arduino就为外专业提供了一个很好的开源平台［1-6］.正是由于其简单易学，将其融入实验当中则会起到提高学生学习兴趣、开阔实验思路，让学生在做实验的同时改进、创新出自己的实验新思路.

Arduino即使不调用库函数、硬件连接和软件编程也比以往单片机简单许多.图1是Arduino与普通单片机完成同样串口通信的程序对比.通过图1可以很轻易的观察到Arduino在简单易学方面较以往单片机有了很大的提高.这样外专业有创新想法时将不必因为单片机过于复杂与专业无关而失去学习兴趣，而是直接拿起Arduino开源平台搭建出自己的物理实验平台.下面例举基于Arduino的物理实验，体现其简单性、扩展性、创新性.

图1 Arduino与普通单片机的程序对比

2 模数转换实验

通过Arduino控制器自带数模转换芯片完成A/D转换实验，数字量输入范围为：0～255，模拟量输出范围为：0～＋5 V.连线如图2所示.

图2 Arduino控制器完成A/D转换实验

转换公式如下：

例如：数字量＝11111111，则K7＝1，K6＝1，K5＝1，K4＝1，K3＝1，K2＝1，K1＝1，K0＝1.

模拟量U0＝Vref（29K9＋28K8＋…20K0）/210＝5 V.

利用数字量控制LED亮度，并尝试同时控制多个LED的亮度.

a.连接Arduino和计算机的USB连接线.

b.启动计算机，在桌面上双击Arduino IDE软件图标，即打开上位机与实验板的交互软件.

c.测试计算机与实验箱的通信是否正常，即安装Arduino控制器驱动，通信正常继续.如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验.

d.在Tools的Board中设置自己Arduino板的型号，然后在Tools的Serial Port里设置连接的COM口号.

e.在编辑窗口编辑实验程序

点击运行，观测13引脚的LED亮度并用万用表测量电压值.

f.利用Excel，Matlab画出数字量与模拟量的对应曲线.

g.计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因.

本实验从实验讲义、实验过程到实验报告完全电子化，提出所有实验无纸化的理念，在提高了教学质量的同时，对环境生态的理念进行了实践.实验脱离了以往插线式的实验风格，让学生不仅仅动手插线而是动脑创新，同时实验仪器小型化，让学生随时随地将想法变成实践.

3 三原色实验

三原色按一定比例混合可以呈现各种光色（图3）.彩色电视屏幕就是由这红、绿、蓝3种发光的颜色小点组成的.当白光照射在有色物体上时，这些物体对白光有选择地吸收和反射，反射的光谱成分也各不相同，这时人们就会看到不同色彩的物体.例如红花吸收白光中的黄、青、绿、蓝、紫等色光，而反射红光，所以看起来是红色，所以说人们看到的物体色，是物体不吸收或少吸收而反射出来的不同颜色.在物理实验中如果用以往单片机结合LED操作，物理专业本身便对单片机认识较浅，看到繁琐的C语言编码更是对实验望而却步.而Arduino简单的几根连线和短短十数行的代码，则会让学生燃起学习的热情.

图3 三原色原理

实验步骤如下：

a.连接Arduino和计算机的USB连接线，如图4所示.

图4 Arduino控制器完成三原色实验

b.启动计算机，在桌面上双击Arduino IDE软件图标，即打开上位机与实验板的交互软件.

c.测试计算机与实验箱的通信是否正常，即安装Arduino控制器驱动，通信正常继续.如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验.

d.在Tools的Board中设置自己Arduino板的型号，然后在Tools的Serial Port里设置连接的COM口号.

e.在编辑窗口编辑实验程序

int Pin1＝0；//电位器1第二针脚接在模拟口0上

实验程序中只给出控制1个LED亮度的例程，学生通过软件、硬件的学习模仿制作出红、绿、蓝3种颜色的LED亮度控制.在学习光学基础知识的同时，复习了电路知识、C语言知识，激发创造思维、燃起学习兴趣.程序中利用3个模拟输出引脚控制LED中红绿蓝3种颜色的亮度，从而改变三原色的比例.学生可以亲自动手调制出自己想要的颜色，同时对比3种颜色在人眼中不同的感应度.从而理解为什么阴极射线管电视可以仅仅用3个颜色的小格组成1幅幅清晰的图像，也知道了3种颜色即使在相同条件下对人眼引起的反应是不同的.

4 课堂创新结果

利用Arduino控制器的实验在器材上抛弃了“铁箱子”、在思想上抛弃了“黑箱子”，将实验仪器小型集成化、实验过程创新化、实验课堂化，将物理实验带入物理课堂.在学习枯燥乏味的基础知识中注入现代化、创造性的甘泉，真正从学生兴趣激发学生学习动力.基于Arduino的实验器材最大不过A4纸大小，教室可以很方便的将实验引入课堂.同时Arduino控制器为开源平台，制作、购买方便经济，上课时完全可以让学生人手1台，发挥创造力、提高动手能力.

5 结束语

基于Arduino控制器的实验平台使用范围极广，从中学课堂到高校课堂均可做相关实验，甚至研究生也利用其作为传感、处理装置与Mat Lab，Lab VIEW等高端软件结合进行数据处理及分析，充分发挥了扩展性、兼容性.目前已在几所东北高等院校实验，课堂学习效果较好、学生课堂热情极高.通过Arduino与课堂结合，学生已发表数篇教育文章，获专利、项目若干，省、校级电子大赛奖项若干.

［1］ 崔才豪，张玉华，杨树财.利用Arduino控制板的光引导运动小车设计［J］.自动化仪表，2011，32（9）：6-8.

［2］ 蔡睿妍.基于Arduino的舵机控制系统设计［J］.电脑知识与技术，2012，8（15）：4-5.

［3］ 纪欣然.基于Arduino开发环境的智能寻光小车设计［J］.现代电子技术，2012，35（15）：99-101.

［4］ 凯姆·卡尔文，泰勒·卡尔文，庞明珠.Arduino与电子制作［J］.电子制作，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，吴群勇，肖韶荣.发光二极管的光电特性测试实验［J］.物理实验，2013，33（12）：1-4.

［8］ 王悦，李泽深，刘维.LED发光二极管特性测试［J］.物理实验，2013，33（2）：21-24.

［责任编辑：郭 伟］

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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2014-06-20；修改日期：2014-07-09

单旭晨（1990－），男，辽宁绥中人，黑龙江大学电子工程学院硕士研究生，从事物理检测、光电创新式教育方面的研究.

刘书钢（1956－），男，山东仓乐人，黑龙江大学电子工程学院教授，博士，研究方向SPR检测技术、光偏振检测、光电创新式教育.