基于ESP32 和Phyphox 的光电门阵列的设计与制作

2024-01-08赵一镁

物理教学探讨 2023年12期

赵一镁，丁勇

贵阳市第三实验中学，贵阳 550001

《普通高中物理课程标准（2017 年版2020年修订）》（以下简称《课标》）明确指出：“数字媒体已成为物理学习的重要课程资源。物理教学要积极利用已有数字媒体，主动开发适合教学、提高教学质量的信息产品，拓宽物理学习的途径，促进物理教学方式改革。”［1］教师作为课标的实践者，除了完成传统实验外，还需要重视数字化实验及其方式创新，为学生提供更多可靠、可行的实验方案。

在“研究匀变速直线运动的规律”和“研究自由落体运动规律”的实验中，《课标》要求用打点计时器、频闪照相或其他实验工具研究匀变速直线运动的规律，通过实验认识自由落体运动规律。目前主要采用以下方案：

（1）用打点计时器测量时间，进一步测速度，再研究速度与时间的关系，从而确定运动规律。

（2）频闪照相，可以用手机拍摄研究对象在标尺为背景的运动视频，再用视频播放软件逐帧分析或用Tracker 进行视频分析。数据处理与打点计时器打下的纸带类似，都是采集相同时间对应的位移。

（3）用位移传感器采集研究对象的位置与对应的时刻，得到位移-时间图像，位移-时间图像是曲线时还要根据位移-时间图像得到其导函数的图像，即速度-时间图像，再根据位移-时间图像和速度-时间图像分析运动规律。

从高考考查的角度看，数字化的实验方案在考题中频繁出现，有的还要懂其测量的原理，会误差分析。例如，2015 年高考浙江理综卷第15题考查的知识点是瞬时速度概念的理解，但其实质却是考查影响光电门测瞬时速度精确度的因素问题。因此，要从影响光电门测瞬时速度精确度的角度进行分析，才能洞察“其所以然”。备考复习中，各地也考查了数字化的实验方案，而且比较难。例如，2021 年八省联考湖北物理卷第13题第（1）ii 问考查考虑遮光条通过光电门时速度的变化带来的误差，对比物体真实加速度和测量加速度的大小，需要学生对匀加速直线运动规律有更深层次的理解，将运动过程转化为v－t 图像，通过分析出结果考查学生的科学思维能力［2］。

光电门测量物体的速度、加速度等是高中物理力学实验模块体现“物理情境”和“物理情境活动”非常好的载体，也是增强学生物理学习体验的重要手段。在深度研究光电门之后，发现用多个光电门可以方便、快捷地研究匀变速直线运动，轻松得到速度-时间图像，迅速得到运动规律。

1 光电门测速原理

光电计时器一般由单片机和光电传感器模块构成，单片机负责计时，光电传感器负责“通知”单片机什么时候开始计时和停止计时。当物体通过光电门时光被挡住，单片机的计时器开始计时，当物体离开时停止计时，这样就可以测量挡光时间；若计时装置具备运算功能，使用一定宽度的挡光片固定在物体上，可以间接测量物体的速度。

2 单片机的选择

根据设计的需求，选择了性价比较高的国产单片机ESP32-C3。ESP32-C3 系列WIFI 模组是一款高集成度的低功耗2.4G WIFI 和蓝牙系统级芯片（SoC），搭载RISC-V 32 位单核处理器，工作频率高达160 MHz，内置安全硬件，支持二次开发［3］。经过比较，最终选择了合宙的ESP32C3-CORE 开发板。

3 光电模块的设计

如图1 所示，U2 为对射式（槽型）光电开关Transmissive Sensor，这种现成的槽型光电开关的门之间距离太短，只有6 mm，最大的只有13 mm，不符合需求。实际使用时，可以在1，2 之间连接红外线发射管，3，4 之间要反向接入红外线接收管，其他不用改变。IN+为电压信号输出，用示波器可以得到IN+与地GND 之间的电压随挡光情况变化的波形图。从波形图像可以看出，波形有较长时间的上升沿和下降沿，测量误差较大。为了得到较好的方波信号，可以和电压比较器LM393 联合使用。R3 与R4 串联，IN-端得到一半的VCC 作为参考电压输入比较器的反相端输入，或者把R8电位器接入电路，可以通过调整电位器来调整比较器的反相端的参考电压，从而调节光电门的灵敏度。电路还加入了电源滤波、电源指示灯、挡光指示灯（没有挡光时指示灯亮，挡光时指示灯灭）和接线端H1。经测试，可以得到较好的方波信号。

图1 光电模块电路图

4 光电门的并联

在“研究匀变速直线运动的规律”实验中，需要得到研究对象的速度-时间图像，即要获取多个时刻对应的速度。而一个光电门只能测量一个时刻的瞬时速度，要得到多个时刻的速度，现有的解决方案是用光栅，即在研究对象上固定光栅。但缺点也是显而易见的，不可能把光栅做得足够长，因此研究的运动过程受到空间的限制。

基于此，从另一个方面考虑就是增加光电模块的数量，放在不同的位置，不同位置的光电门模块的信号输入同一个单片机的同一个IO 口进行统一计时，从而就可以得到不同时刻的速度。若一个光电模块的DO 输出连接单片机的一个IO 口，受到单片机IO 的资源限制，不利于扩展。因此，不同光电模块信号DO 输出要汇聚到同一个IO 口，这样对于单片机而言，多个光电模块相当于一个光电模块。若简单地把不同光电模块信号DO 端汇聚在一起（即并联在一起），实验时发现并没有像想象的一样可以通过不同的光电模块控制计时，并联在一起之后它们相互影响。想到不同的光电模块之间的逻辑关系是或，用或门芯片可以解决。74LS32 是一种较常用的或门芯片，内部有4 个或门，每个或门有2 个输入端、1个输出端。4 个或门可以组合成5 个输入和1 个输出。查阅或门技术资料后，了解其内部比较复杂，但可以由电阻和二极管（或三极管）构建一个简单的2 输入端或门，如图2 所示。

图2 二极管（或三极管）或门电路图

5 如何测量时间

下面以VSCode＋PlatformIO＋Arduino 的编译环境进行软件开发。在Arduino 中，可以用micros（）函数返回自程序启动以来的微秒数来测量时间，可以用以下方式测量时间：

（1）用pulseIn（pin，value，timeout）函数读取ESP32 的IO 口的脉冲宽度；

（2）在loop（）函数中通过轮询的方式不断检查IO 口的电平高低；

（3）使用中断处理挡光的计时。

6 如何记录时间和各时刻的速度

用Arduino IDE 的串口绘图器可以得到几次挡光下光电模块DO 端电压随时间的波形图，如图3 所示。

图3 挡光测试波形图

在图3 中，开始测量时T0＝micros（），T1，T3，T5…为挡光开始的时刻，T2，T4，T6…为挡光结束的时刻。由图3 可知，第一次挡光时间为T2－T1，平均速度为（d 为挡光片的宽度）。若研究的运动为匀变速直线运动，平均速度的大小等于中间时刻的速度大小，即v1对应的时刻t1=（T1-T0）+。同理，可以得到第二次挡光时的速度v2=，对应的时刻t2=（T3-T0）+，第三次挡光时的速度v3=，对应的时刻t3=（T5-T0）+。这样就可以准确得到各时刻的速度，对于匀变速直线运动来说就没有测量原理带来的误差。

7 用Phyphox 显示实验数据

在Arduino 中引用Phyphox BLE 库，测量完成通过PhyphoxBLE：write（duration，velocity）发送数据，duration 为挡光时间，velocity 为根据挡光片宽度和挡光时间计算出的速度。手机端开启远程访问后，电脑端通过浏览器输入给定的地址，就可以显示并可以控制。如图4 所示，这是小车在倾斜轨道上匀加速下滑时的v－t 图像，小车运动一次就可以实时绘制v－t 图像，还可以进一步进行线性拟合，显示公式，导出数据到Excel进行进一步处理，方便快捷。

图4 Phyphox 绘制小车运动的v－t 图像

8 用自制的光电门研究小车的速度与时间的关系

把自制的光电门固定在轨道上，同时把朗威的光电门固定在轨道上。朗威DIS 系统用两个光电门测量，由公式a=可以求出，测量数据如图5所示。自制光电门可以采集6 组速度和时间数据，在Phyphox APP 中实时描绘v－t 图像，再进行线性拟合，斜率为小车加速度大小，三次测量数据如图6 所示。

图5 朗威DIS 系统测小车加速度的数据表

图6 自制光电门采集小车运动的v－t 图像及小车的加速度

根据图5 和图6 的数据可以看出，几十元自制的光电门的精度可以和上千元级别的成熟产品媲美，而且使用非常方便。朗威DIS 系统的实验手册中没涉及到两个光电门的时间是如何测量的，即那一段时间是未知的，其程序也是闭源的，无法知道其测量原理，测量可能存在系统误差。自制的光电门实时采集得到v－t 图像，消除了原理上引入的系统误差，小车一次运动就可以多次测量减小偶然误差；朗威DIS 系统要减少偶然误差得让小车多次重复同样的运动。因此，此次制作比较成功。