Mixly開源項目設計6：自制電壓表

吳俊杰

我們在談創客教育的教育價值時，首先注意到的是駕馭感，即學生能夠以一種學以致用的方式去駕馭所學的知識，通過具體的實物，而不是簡單通過指向個體成績的試卷來評價自己，這種駕馭感在我們放大創客教育的適用領域時仍然是成立的，如數學老師希望自己和學生能夠駕馭數學學科，像數學家一樣思考；其次是獲得感，即師生能夠通過創客嘉年華、創意集市、微商、眾籌等多種模式獲得實實在在的知識產權收益，單純對精神世界的追求相對于大多數人而言，是比較高的，而更多的人更是靠著物質的驅動而獲得下一步努力的動力，事實上物質成就也是一個比較準確的衡量標準，尤其對于一些有厭學傾向或者動力不足的人，抑或是對于像職業技術學校學生這類很快就要面臨真實工作情境的挑戰的學習者來說，創客教育的獲得感就顯得尤為重要；最后是存在感，互聯網使得地域間的協作變得越來越容易，人的存在感來自于對自我的認識和在團隊中積極角色的認識，這種存在感是一個穩定的團隊協作過程中不可或缺的組成部分，這種存在感并不是一種個人主義，高高在上，而更像是一瓶水里面放了大小輕重不同的石子，我們搖晃一下，靜靜地等待，石子自然會分層，各自找到自己應有的位置。豐富多彩的小組創客活動，便是促進學生自知的容器，相比于石子的客觀屬性，在活動中應該注重激發學生的主觀能動性和自我超越的潛能，這樣做一方面解決了“我是誰”這種存在感方面的問題，另一方面又解決了“我該如何存在”這種獲得存在感方面的問題。本次，我們將做一個學以致用且在今后的學習中又很常用的創客項目——自制一個指針式的電壓表。

制作：舵機的連接

在UNO控制板中，USB口朝上在POWER區的5V和GND之間能夠提供500mA的電流，而普通的發光二極管只需要10mA的電流，這意味著該端口可以驅動像小燈泡、舵機這種需要大電流的設備，反之像LED這種小電流設備直接插到這個端口上則會因過熱而燒毀。

我們可以觀察一下180度舵機（如圖1），它有三根數據線，紅線代表5V，棕色代表信號線，土黃色代表地線，它將輸入控制舵機角度的控制信號。180度舵機顧名思義就是它的控制角度可以從0度到180度，剛好是一個半圓，很方便用來模擬指針式電表的操控效果。

為舵機插三根兩端等長的排針，將信號線一端的排針彎折90度，以便于后續繞線的工作，另取一根排針插到右側的8號引腳的位置，并將其和之前的信號線引腳用繞線器連接起來，接通電源后我們發現，如果用手觸摸UNO控制板的底部焊點，舵機的角度有時會不斷變化（如圖2）。

產生這種現象的原因是，在程序中舵機的角度由A0端口的電壓控制，手觸碰焊點的時候，可能會將A0端口和5V或者GND導通，導致A0端口的電壓變化，這正是自制電壓表的原理所在。

我們在A0端口接一根紅色的數據線，在GND端口也用排針引出一根黑色的數據線，另一端都有鱷魚夾連接（如圖3）。用黑線接干電池的負極，紅線接干電池的正極，我們發現，舵機穩定到一個固定的角度不動了，這說明每一個舵機的角度都和一個穩定的電壓輸入一一對應，接下來，我們根據這個原理繪制電壓表的表盤。

在盒子上挖孔，將舵機固定在盒子上，舵機轉盤上固定一個吸管作為指針，將紅色夾子連接到5V，此時指針的角度為180度，將紅色的夾子連接到GND，此時指針的角度為0度。0～180度對應著0～5V的電壓，這樣將指針角度平分10等份，我們就得出了將5V分成分度值為0.5V的各個刻度。

至此，我們再將一節干電池放在電壓表上測量，發現其指針在1.5V附近停止（如圖4），放一節紐扣電池測量會發現指針在3V附近停止，這說明，我們的電壓表已經能夠成功地測量電壓。

改裝：用探究的方法解決指針振動的問題

在實驗的過程中，我們發現當電壓表沒有測量值的時候，舵機指針會隨著空氣中隨機的電磁干擾而亂動，但在將紅色的夾子和黑色的夾子接起來以后，我們可以看到指針回到了0V的位置，這和我們一般使用的電壓表是一致的，即在不接被測量的器件時，電壓表的指針應該停留在0V的位置。

但是，我們期望在不接任何設備的時候指針仍然不要擺動，解決這個問題的方法是在0V和A0之間連接一個大電阻，在不測量電壓的時候將A0的測量值變為0，由于電阻的阻值比較大，它不會影響到電壓的測量值，實驗電路如圖5所示。

這樣我們就完成了一個可以正常工作的電壓表，由于電壓是一個重要的測量量，在我們以后學習各種傳感器的原理時，它還可以起到很重要的作用。

玩轉：舵機控制揭秘

舵機是一種精密的控制角度的裝置，在Mixly中，舵機控制指令在執行器菜單時，我們需要數學菜單的映射功能，將0～1023的數值換算為0～180之間的數值（如圖6）。

由于A0端口的數值相對于A0端口的電壓是正比例關系，這樣我們就將舵機的角度和A0端口的電壓一一對應起來了。

分享：給自制電壓表添加一個說明書

創客課程如果按照大的學科分類，可以分為電子與程序、材料與結構、科學探究和數學建模以及媒體傳播和文案寫作四大類，而對于一個綜合的創客項目的完成，常常需要這四個領域的能力的配合。例如，這個自制電壓表的例子，如何給它設計一個實用的說明書呢？我們首先可以參考一下其他電子產品的說明書的格式，既有小冊子的樣式，又有折頁的樣式，這就涉及頁面的排版問題。此外，如果采用黑白打印，圖片的打印效果可能不夠好，這時可能需要繪制示意圖用剪貼畫的方式表示電壓表的使用方式。因為電壓表需要用戶自己用繞線器連接起來，因此可能還需要一個二維碼來介紹電壓表的使用方式。至此，我們發現如果設計電壓表的說明書，需要綜合應用多種信息技術設備和手段，甚至還涉及視頻的制作和編輯工作。一個好的教學設計可以是把復雜的過程講簡單，同樣也可能是把簡單的過程變復雜，以一個創客項目為載體，自然串聯多種信息技術手段，讓學生在真實的、綜合的情境中，合理運用各種技術手段，這個過程中自然形成的項目小組和協作關系，將會讓師生共同享受駕馭感、獲得感和存在感帶來的實實在在的創客的幸福。

本案例的分享視頻將會在以下公眾號中陸續登載。