科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)：自制DIS實(shí)驗(yàn)主板

作者

翁浩峰/浙江省寧波中學(xué)

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DIS（Digital Information System）即數(shù)字化信息系統(tǒng)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)軟件”構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在物理學(xué)中絕大多數(shù)的物理量，如位移、力、溫度、電壓、電流等，均可用DIS進(jìn)行測(cè)量。高中《物理》教材中也有很多關(guān)于DIS實(shí)驗(yàn)的案例。一般來(lái)講，DIS實(shí)驗(yàn)使用的都是商用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，價(jià)格較為昂貴。

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器，以及計(jì)算機(jī)或手機(jī)端軟件組成。早期的DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，傳感器和數(shù)據(jù)采集器間、數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)間都是有線(xiàn)連接，現(xiàn)在也有將傳感器與數(shù)據(jù)采集器合二為一，并使用藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)方式與計(jì)算機(jī)軟件通訊的。

基于ESP32的自制DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了一批便宜好用的物聯(lián)網(wǎng)硬件和傳感器，加之近幾年創(chuàng)客教育的普及，讓物聯(lián)網(wǎng)硬件和傳感器的使用越發(fā)簡(jiǎn)單，原來(lái)遙不可及的自制DIS實(shí)驗(yàn)有了實(shí)現(xiàn)的可能。

基于ESP32和phyphox的自制DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

隨著基于ESP32與phyphox（手機(jī)物理工坊）的自制DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)近期較為流行，它通過(guò)對(duì)ESP32進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)采集各種傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙方式發(fā)送，在手機(jī)端可使用phyphox軟件接收數(shù)據(jù)并繪圖。

ESP32是一款集成了Wi-Fi、藍(lán)牙功能的微控制器，性能優(yōu)異、價(jià)格低廉，在線(xiàn)資源非常豐富，不僅可以用專(zhuān)業(yè)的C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，還支持micropython語(yǔ)言。

Phyphox是一款十分流行的物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序，除了可以采集手機(jī)自帶傳感器的數(shù)據(jù)外，還可通過(guò)藍(lán)牙接收來(lái)自外接傳感器的數(shù)據(jù)，不僅可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并繪制成圖像，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，或者通過(guò)即時(shí)通訊軟件將數(shù)據(jù)以excel表格的形式發(fā)送到電腦端進(jìn)行進(jìn)一步處理。此外，它還支持自定義顯示界面，在官網(wǎng)上編輯個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)界面后，可通過(guò)掃碼或直接下載文件等方式在手機(jī)端打開(kāi)。

在計(jì)算機(jī)端，可以通過(guò)phyphox的遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)功能，啟用服務(wù)器功能，同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)就可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)打開(kāi)phyphox上的實(shí)驗(yàn)界面。還可以直接編寫(xiě)支持Web Bluetooth API的html網(wǎng)頁(yè)，可以在本地直接用瀏覽器打開(kāi)，或者將其放到網(wǎng)站上用瀏覽器遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，即可在網(wǎng)頁(yè)上顯示數(shù)據(jù)和繪圖，還能實(shí)現(xiàn)更多的功能，比如數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)畫(huà)等。筆者開(kāi)發(fā)了一個(gè)網(wǎng)頁(yè)版的DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)https://www.makemaker.net進(jìn)行測(cè)試。這種網(wǎng)頁(yè)版DIS實(shí)驗(yàn)的方式，只需要瀏覽器支持Web Bluetooth API即可，計(jì)算機(jī)或手機(jī)上的瀏覽器均可。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件制作上的困境與突破

自制DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的ESP32一般使用開(kāi)發(fā)版。為了能與傳感器連接，通常需要使用面包板，圖1為自制的使用ADS1220的力傳感器。使用面包板的不足之處包括：復(fù)雜的連線(xiàn)足以勸退大多數(shù)對(duì)自制DIS感興趣的教師；連線(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良等問(wèn)題，且很難在短時(shí)間內(nèi)排除故障，在課堂上使用風(fēng)險(xiǎn)極高；這樣的DIS實(shí)驗(yàn)只適用于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，無(wú)法批量制作讓更多的教師使用。

圖1 使用ADS1220的力傳感器

物理實(shí)驗(yàn)中的各種傳感器，多數(shù)是先將物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，再通過(guò)對(duì)電學(xué)量的測(cè)量實(shí)現(xiàn)。雖然ESP32上自帶了一個(gè)12位的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），但其測(cè)量精度和分辨率均不高，無(wú)法滿(mǎn)足物理實(shí)驗(yàn)中的電壓測(cè)量，針對(duì)力傳感器輸出的最大只有幾毫伏的電壓更加無(wú)能為力。

因此，開(kāi)發(fā)一塊自制DIS主板，將ESP32與高精度ADC集成在一起，并使用一些接插件方便的連接傳感器，不僅可將自制DIS實(shí)驗(yàn)難度降低，還能保證使用過(guò)程中的穩(wěn)定性，讓自制DIS實(shí)驗(yàn)真正具有使用價(jià)值。

自制DIS實(shí)驗(yàn)主板

DIS實(shí)驗(yàn)主板經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)3年的開(kāi)發(fā)與制作。整塊主板的設(shè)計(jì)主要包括5個(gè)部分，為了方便后期批量制作，全部使用了貼片元件，如圖2所示。

圖2 自制DIS實(shí)驗(yàn)主板

ESP32主控板

自制主版使用的是ESP32的郵票版，可以方便地貼在PCB板上，其價(jià)格僅為ESP32開(kāi)發(fā)板的一半。

ADS1120高速ADC芯片

ADS1120是一種精密的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該器件具有2個(gè)差分或4個(gè)單端輸入，1個(gè)靈活的輸入多路復(fù)用器（mux），1個(gè)低噪聲、可編程增益放大器（PGA），2個(gè)可編程勵(lì)磁電流源，1個(gè)基準(zhǔn)電壓源等。雖然ADC芯片有很多型號(hào)可供選擇，但ADS1120擁有的PGA最大倍率可達(dá)到128倍，使其可以直接測(cè)量力傳感器上的微小差分電壓。另外，ADS1120還具有1個(gè)電流源，可以被設(shè)計(jì)成恒流源，能產(chǎn)生很多實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意。ADS1120與ESP32間采用SPI通訊，硬件部分的連接已經(jīng)設(shè)計(jì)在主板上。

基準(zhǔn)電壓源

主板上還設(shè)計(jì)了一個(gè)基準(zhǔn)電壓源芯片，芯片型號(hào)為REF3030，能提供3?V基準(zhǔn)電壓，精度達(dá)到了0.05%。雖然ADS1120中也內(nèi)置了2.048?V的基準(zhǔn)電壓源，但無(wú)法供外部電路使用。在一些實(shí)驗(yàn)中，比如電壓傳感器，就需要有高精度的電壓源給橋式電路供電，因此在主板上增加了這個(gè)芯片，這個(gè)電壓源同時(shí)也連接到ADS1120上，可作為外接基準(zhǔn)電壓源使用。

CH340串口電路

要給ESP32寫(xiě)入程序，需設(shè)計(jì)單獨(dú)的串口電路，使用了CH340K串口芯片，并用2個(gè)三極管設(shè)計(jì)了自動(dòng)上傳電路。與電腦連接的接口選擇了當(dāng)前流行的TypeC接口，不過(guò)由于主板未設(shè)計(jì)充電電路，這個(gè)接口僅限于連接ESP32并給它供電，無(wú)法給電池充電。

電源管理電路

ESP32的供電電壓為3.3?V，但來(lái)自TypeC的電壓為5?V，來(lái)自鋰電池的電壓為3.7?V，需要將這些電壓降壓到3.3?V后給ESP32供電。由于3.7?V降壓到3.3?V的壓差太小，導(dǎo)致常見(jiàn)的降壓芯片，比如LM1117-3.3無(wú)法正常使用，查閱很多資料后，找到了一款降壓芯片RT9013-33GB：250?mV壓差，3.3?V輸出，500?mA輸出。

最后，在主板上設(shè)計(jì)了3個(gè)按鈕、2個(gè)指示燈和一些PH2.0的輸出接插口。

基于DIS主板的傳感器設(shè)計(jì)案例

制作DIS主板的目的是簡(jiǎn)化硬件連接，并增強(qiáng)DIS的可靠性和耐用性，讓自制DIS實(shí)驗(yàn)也能出現(xiàn)在日常的課堂演示實(shí)驗(yàn)甚至學(xué)生實(shí)驗(yàn)中。基于這塊DIS主板，可以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)各種各樣的自制DIS實(shí)驗(yàn)。

力傳感器

借助DIS主板，原本復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)力傳感器變得非常簡(jiǎn)潔，只需插上屏幕和應(yīng)變梁，再寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的程序就可輕松制作一個(gè)力傳感器，搭配亞克力板的結(jié)構(gòu)件，即可變成無(wú)線(xiàn)力傳感器（圖3—圖5）。

圖3 力傳感器結(jié)構(gòu)

圖4（左） 壓力傳感器

圖5（右） 拉力傳感器

基于無(wú)線(xiàn)力傳感器，可以開(kāi)發(fā)出一系列力學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如彈簧振子受力實(shí)驗(yàn)、單擺受力實(shí)驗(yàn)、超重失重實(shí)驗(yàn)、作用力反作用力實(shí)驗(yàn)、摩擦力研究實(shí)驗(yàn)等。

電壓、電流傳感器

集成了ADS1120的DIS主板，本身就是一個(gè)電壓傳感器，還可通過(guò)改變?cè)鲆鎸?shí)現(xiàn)不同量程，圖6是多量程的電壓（或電流）傳感器，能通過(guò)主板上的按鈕實(shí)現(xiàn)量程切換，在電壓傳感器基礎(chǔ)上，給輸出端并聯(lián)1個(gè)已知阻值的采樣電阻，就可以改裝成電流傳感器。為了方便實(shí)驗(yàn)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一塊轉(zhuǎn)接板(圖7)，通過(guò)轉(zhuǎn)接板上的撥碼開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)采樣電阻的并聯(lián)等操作。配合亞克力板，就可以組裝成一臺(tái)無(wú)線(xiàn)電壓（電流）傳感器（圖8）。

圖6 電壓（電流）傳感器結(jié)構(gòu)

圖7 電學(xué)轉(zhuǎn)接板

圖8 電壓（電流）傳感器

電壓電流傳感器可以完成絕大多數(shù)高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)、電容器充放電實(shí)驗(yàn)、利用恒流源研究電容器實(shí)驗(yàn)、電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)、LC振蕩電路實(shí)驗(yàn)等。

超聲波位移傳感器

配合創(chuàng)客常用的超聲波測(cè)距模塊，就可組裝成一臺(tái)超聲波位移傳感器（圖9、圖10）。

圖9 位移傳感器結(jié)構(gòu)

圖10 位移傳感器

光電傳感器

配合自制的雙光頭光電門(mén)，就可以完成很多運(yùn)動(dòng)學(xué)的實(shí)驗(yàn)（圖11、圖12）。

圖11 光電傳感器結(jié)構(gòu)

圖12 光電傳感器

基于DIS實(shí)驗(yàn)主板制作的實(shí)驗(yàn)教具越來(lái)越多地應(yīng)用于真實(shí)的課堂中，如何利用DIS主板開(kāi)發(fā)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)也可成為一門(mén)融合信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的選修課程。這種新的DIS實(shí)驗(yàn)方式，最終會(huì)帶來(lái)教學(xué)工具的改革，其便宜的價(jià)格，使偏遠(yuǎn)山區(qū)的孩子也有機(jī)會(huì)接觸到最新的實(shí)驗(yàn)教具。

該項(xiàng)目獲得第 38 屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)

來(lái)源 | 《中國(guó)科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安