用S2A探究植物对环境温度的影响

夏侯洪涛

编者按：从本期开始，栏目将会邀请更多的老师陆续添加一些生物、物理、化学学科的信息技术实验，通过传感器的制作和应用讲解探究的过程。希望大家能通过这些案例，初步了解开源技术在科学实验中的应用方法。

● 实验简介

探究植物对环境温度的影响是一个比较经典的实验，其目的是验证生物在其生长过程中会不会对周围的环境产生影响。生活经验告诉我们，任何生物都必须有一定的生活环境，环境中的非生物因素（阳光、温度、空气、水……）和生物因素（生物之间的相互关系）都会对该生物产生很大的影响，这种影响是显性的，是我们很容易观察和理解的，但生物对环境的影响则是隐性的，是我们容易忽略的，这个实验就是为了验证生物对环境是否有影响而设计的。

● 实验目的

通过测量同一时间段内裸地、草地、灌丛中的温度值，并对数据进行比较，来验证绿色植物能否对空气的温度产生影响。

● 设计思想

1.硬件

在Arduino板上添加温度传感器，通过温度传感器获取空气的温度值，并通过蓝牙模块将温度数值传输至计算机。

2.软件

使用Scratch编程控制Arduino的运行，并且在Scratch编程中利用等待指令控制数据采集的时间间隔，利用链表功能存储一定时间内采集的数值，最后将数值输出到电子表格进行数据分析，从而最终得出实验的结论。

3.测量方式

将实验装置分别放置于裸地、草地、灌丛等合适位置，同时启动程序进行数据采集，从早上9点到下午4点，每间隔10分钟采集一次数据。（如果时间不允许也可以采用早中晚分别采集1小时，间隔时间为5分钟）

● 实验器材

基于以上的思考，我们需要的实验器材有：Arduinouno X3、Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板X3、LM35温度传感器X3、传感器连接线、蓝牙模块、电池盒。

需要特别说明的是，在本实验中我们采用了LM35温度传感器（如图1）。LM35是由国半公司所生产的温度传感器，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例，每升高1℃，输出电压增加10mV。LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。LM35温度传感器模块可以通过一根3P传感器连接线直接插到Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板上。

图1

蓝牙模块可以使我们脱离USB线的束缚（如图2），在本实验方案中，Arduino作为下位机，主要起到采集数据的功能，要将数据传输到计算机中进行存储和处理，传统的方法是通过USB电缆，但在S2A环境中，我们可以通过蓝牙模块进行数据的传输，其有效传输距离为10米，大大增加了采集的灵活性。

图2

● 实验步骤

1.组装并调试实验设备

（1）器材组装

首先将扩展板和Arduino板插接起来，然后用一条3P的连接线将LM35温度传感器连接到扩展板的模拟接口A0，连接好后，将电池盒的插头插入Arduino的电源接口，当Arduino板上的指示灯亮起来时就说明我们已经完成了硬件的连接工作，图3是连接好的设备。

图3

当然，为了提高测量的精确度，我们可以用纸盒做一个简易的百叶箱，以避免太阳和风的影响。

（2）设备连接

接下来，我们要做的就是通过计算机中的蓝牙适配器和Arduino的蓝牙模块将Arduino和计算机连接起来，从而实现在计算机上编程控制Arduino的工作，其过程如下：①鼠标右键点击计算机蓝牙适配器图表，在弹出的菜单上选择“添加设备”。②在弹出的对话框中选择HC-06，稍微等待一会，计算机会提示设备安装成功。③重复步骤1，选择“显示Bluetooth设备”，在打开的窗口中就会有HC-06的图标，在图标上点击右键，选择属性，在属性窗口中点击“硬件”选项卡，查看蓝牙模块使用的串口号。

然后，我们需要在S2A环境中设置通讯的端口，其过程为：①在程序中找到“启动s2a”，单击鼠标右键，在菜单中单击“编辑”。②计算机会使用记事本打开s2a，将文本中最后一行的串口号修改为我们自己设备所使用的串口号，保存退出（如图4）。

图4

设置完成后，我们就可以运行S2A程序，当出现如图5的界面时，说明我们已经顺利通过蓝牙方式将Arduino和计算机连接起来了。

图5

（3）编写程序

接下来，我们将打开Scratch程序，开始编写程序。

因为温度传感器是接在模拟引脚A0上的，所以，我们将通过这样的

指令将端口A0设置为输入，以便于确保程序能从A0端口获取数值。

而后新建一个变量temp，这里要说明的是，我们用LM35温度传感器测量环境温度时，直接读取的数值并不是温度的值，而是此时LM35输出的电压值，这个值要经过运算才能获取温度值，所以我们会在这里设置一个变量，用于存储计算后得到的温度值。

接着新建一个链表“温度记录”，用于存储一定时间内获取的温度的值。

在程序开始时，需将变量和链表都清空，所以我们在程序中需添加这样两条指令（如图6）。

图6

因为每隔1小时要测量1次，因此我们还需要设置一个等待时间，要说明的是这个等待时间需根据实验方案灵活设置，如我们要每隔10分钟测1次，这里就设置为600秒。

最终我们的程序是这样的，其中一系列的运算是为了我们最后的温度是一位小数做的铺垫（如图7）。

图7

程序写完后，我们可以将间隔时间改短一些，测试实验设备是否能正常运行，如果一切正常我们就可以进行下一步的实验。

2.选择天气和位置

选择合适的天气，将3套实验装置分别放置到裸地、草地、灌丛的合适位置。

3.采集数据

同时启动程序，进行数据采集，从早上8点开始，到下午5点为止，每隔1小时采集1次数据。

4.导出数据，进行数据分析

需要特别说明的是，由于季节原因，本文所用的数据为2014年9月11日采集的数据。

我们将裸地、草地、灌丛三个链表中的数据导出到电子表格中，如图8所示。

然后我们将三地一天的气温值生成折线图进行比较（如图9）。

5.根据数据分析，得出实验结论

①三地气温均为早晚低中午高。②同一时间气温最低的是灌丛，其次是草地，最高的是裸地。③植物的蒸腾作用受到阳光强度的影响，植物通过蒸腾作用可以降低局部环境的温度。④植物能够对所生长的环境造成一定的影响。

根据分析的结果，我们还需要填写实验报告。

● 实验拓展

在本实验中，我们通过LM35温度传感器测量环境中的温度，LM35温度传感器是一种常用的模拟量的传感器，与之类似的模拟量传感器还有光敏传感器、土壤湿度传感器、降雨传感器、气体传感器（如酒精传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器）等，这类传感器的特点是发出的是连续信号，用电压、电流、电阻值等表示被测参数的大小。传感器测量的数据经过相应公式的计算就可以得到我们需要的测量值，他们在使用方式上也基本相同，在实际使用中，大家可以参考LM35温度传感器的使用方法。

我们常用的传感器除了模拟量的传感器外，数字量传感器（也叫开关量传感器）也经常用到，如测空气温湿度的DHT11传感器、碰撞传感器等，它们在使用的方法上和模拟量就有很多区别，我们将在今后的文章中与大家分享。