基于Arduino單片機及3D打印技術的光反射折射實驗儀的開發

雷蔓　楊松　聶祥榮　李江

摘要：初中物理光學實驗主要目的就是讓學生掌握光的反射折射規律，目前現有的光反射折射實驗器材自動化程度低，不方便實驗教學。針對這一現狀，本團隊研究了一種光反射折射實驗儀，首先通過功能需求分析，列出了該實驗儀應該具備的功能，確定了其結構和工作原理;其次用Arduino單片機作為該實驗儀的控制核心，研究了其控制系統的硬件構成和軟件編程;最后利用了3D打印等制作技術，完成了該光反射折射實驗儀的制作，并進行測試試驗。試驗表明，該實驗儀能夠滿足預期的功能和實驗教學的需要。

關鍵詞：光反射折射;3D打印;實驗儀;單片機;Arduino

中圖分類號：TK464 ????文獻標識碼：A

收稿日期：2020-06-02

作者簡介：雷蔓 （1985-?），男，講師，碩士，研究方向：先進制造技術。

1引言

探究光的反射折射規律是初中物理光學部分的一個重要實驗[1]，目前大多數光的反射折射實驗器材需要手動操作，自動化程度不高，光路看得不是很清楚，科技感不強，學生做實驗的積極性、好奇心不夠。

針對上述問題，本團隊研究了一種基于Arduino單片機控制的自動化光反射折射實驗儀，其樣機的制作過程中部分零件還用了3D打印機打印，實驗儀科技感強，能夠吸引學生的學習興趣。該實驗儀不僅能夠讓學生學會光的折射反射規律，還能夠啟發學生對科學技術的思考與向往。

2 光反射折射實驗儀方案設計及工作原理

該反射折射實驗儀最終的方案如圖 1所示。

在方案設計開始時，要提出明確的目標，就是所設計的實驗儀要能夠達到什么功能。根據光的反射折射知識點得出，光的反射折射實驗儀要能夠讀出光的入射角與反射角，能夠看出光的折射現象，能夠展示入射光線、反射光線、法線、折射光線等。

功能確定后，經過研究團隊的討論與反復研究，確定了該實驗儀的結構（圖 1）和工作原理，

其工作過程通過紅外遙控器發出信號，由Arduino單片機控制完成。舵機轉動中心與量角器中心重合，舵機驅動擺桿轉動，擺桿上端的激光器發出的激光通過量角器中心，能夠被設置于量角器中心的平面鏡反射，得到入射光線與反射光線。遙控器上要有激光器開關按鍵、舵機正反轉按鍵、舵機旋轉到指定角度按鍵。

要進行實驗時，先打開水霧發生器，待該實驗儀上部充滿水霧后，再打開激光器，光在水霧里面傳播，產生丁達爾現象，就會很清晰的看見光的傳播路徑。

從正面觀察，入射角和反射角可以從量角器上讀出，并且單片機根據舵機旋轉的角度能夠把入射角和反射角顯示在LED數碼管顯示器上;從側面觀察，可以驗證反射光與入射光在同一平面上。

觀察光的折射實驗，只需要把玻璃等光的折射元件替換掉平面鏡，就能觀察到光路由于折射產生的變化。

3 基于Arduino單片機控制系統的設計

3.1硬件設計

用到的元器件有Arduino UNO控制板[2]、Arduino Sensor Shield V5.0擴展板、舵機、激光頭、LCD1602、LCD專用I2C轉接板（PCF8574T）、紅外遙控器、紅外接收頭（CHQB LF1738）、5V電源等。元器件接線圖如圖 2所示（畫圖時部分元件用其他代替），擴展板插裝在Arduino UNO控制板上，LCD1602與其專用I2C轉接板連接好后，與Arduino UNO控制板的SCL、SDA端連接，舵機、紅外接收頭、激光頭分別與Arduino UNO控制板的3端口、4端口、7端口連接，連接好各元器件的電源，就完成了硬件接線。

3.2軟件設計

Arduino單片機硬件軟件都具有開放共享的特點，很多復雜的協議和元器件底層的代碼都有第三方庫可以調用[3]，給編程帶來了很大的便利性。在加載了、 、頭文件后，就可以調用相應的類庫[4]，由于篇幅有限，這里僅討論直接實現該實驗儀功能的部分代碼。

1變量的定義及含義如下：

int RECV_PIN = 4;//紅外接收信號管腳

int SERVOPIN = 3; //舵機控制管腳

int guang = 7;//激光開關控制管腳

int wz，xs;//wz為舵機角度、xs為LCD顯示角度

long inc = 0x00FF02FD;//角度+按鍵，對應??I（VOL+）

long dec = 0x00FF22DD; //角度-按鍵，對應I??（VOL-）

long kai = 0x00FFA25D; //開激光，CH-

long guan = 0x00FFE21D; //關激光，CH+

long d00 = 0x00FF6897;

long d10 = 0x00FF30CF;

long d20 = 0x00FF18E7;

long d30 = 0x00FF7A85;

long d40 = 0x00FF10EF;

long d50 = 0x00FF38C7;

long d60 = 0x00FF5AA5;

long d70 = 0x00FF42BD;

long d80 = 0x00FF4AB5;

long d90 = 0x00FF52AD;

/*d00～d90分別表示舵機轉到0°～90°的變量，對應于遙控板上的數字0～9按鍵*/

2實現按鍵各項功能的代碼如下：

if （results.value == dec）

{

wz=wz-4;

if（wz<=1）

wz=1;

xs=xs+5;

if（xs>=90）

xs=90;

startRun（wz）; //調用舵機脈沖函數

}

上面一段代碼表示如果接收的信號為dec（I??按鍵），則把角度減去4°（小于1后就賦值為1），LCD的顯示值加5°（大于90后就賦值為90）。舵機的轉角控制為PWM控制，脈沖周期為20ms，一個周期內高電平時間0.5ms～2.5ms分別對應舵機0°～180°的位置[5]，StartRun（wz）為調用控制舵機脈沖函數。

因為舵機的轉角存在誤差，控制其轉4°，光線在量角器上剛好相差5°，舵機向左擺動為轉角減少，但是入射角和反射角是增大，所以LCD顯示的值變大。按下I??按鍵的代碼如下，與上述過程相似。

if （results.value == inc）

{

wz=wz+4;

if（wz>=73）

wz=73;

xs=xs-5;

if（xs<=0）

xs=0;

startRun（wz）;

}

激光器開關的代碼如下所示。

if （results.value == kai）//按下CH-，激光器開

{

Serial.println（" light open"）;

digitalWrite（guang，HIGH）;

}

if （results.value == guan） //按下CH+，激光器關

{

Serial.println（" light close"）;

digitalWrite（guang，LOW）;

}

下面的代碼為入射角與反射角為80°、70°、……的代碼，轉角與顯示角度不對應的原因也是因為舵機轉角存在誤差。

if （results.value == d10） {

Serial.println（"10 degree"）;

wz=8;

xs=80;

startRun（wz）;

}

if （results.value == d20） {

Serial.println（"20 degree"）;

wz=16;

xs=70;

startRun（wz）;

}

………………

4 關鍵部件的3D打印及實驗儀制作

在該反射折射實驗儀制作過程中，因3D打印技術在新產品研制中能夠減少成本，縮短研制周期。所以舵機座子、擺桿及反射鏡框采用了3D打印機制作。其制造流程為[6]：建模→導出STL模型文件→STL文件導入3D打印機控制軟件→調整零件打印放置位置→切片→3D打印機準備→3D打印→取出零件并去除支撐→打磨，得到的3D打印模型如圖 3所示。反射鏡框上部是一個凹槽，在使用時，反射鏡上面需要放一層水，避免霧氣落在反射鏡表面產生漫反射。

通過零件制作、裝配及控制系統軟硬件的調試，最后得到的反射折射實驗儀工作情況如圖 4所示，通過測試，驗證了該實驗儀機械部分設計的合理性，也驗證了其控制系統、控制程序的可行性。

5 總結

將單片機、傳感器、三維建模、3D打印等技術與初高中知識點結合，能夠在小制作小發明方面得到一些創新思路，為初高中實驗器材的改進，實驗教學水平的提升提供一定的支撐。

本研究詳細介紹了該實驗儀創新設計的功能導向設計過程，可以為初高中乃至大學的創新思維教育提供案例。實驗儀的制作應用了3D打印技術，采用了Arduino?UNO單片機作為控制核心的控制系統，介紹了該控制系統的軟硬件設計過程，可以為其它實驗器材的創新設計提供參考。

參考文獻

[1]熊建新.“探究光反射時的規律”的實驗探討[J].物理教學探討，2015（02）：64.

[2]張芳.高職院校基于Arduino的傳感技術課程教學研究[J].科技資訊，2020（12）：23+25.

[3]楊鎧睿，姜銳函，徐紅梅.基于Arduino的消防偵查小車設計[J].電腦知識與技術，2020（11）：67-68.

[4]陳合軍.基于Arduino的環境監測系統[J].電子技術與軟件工程，2020（06）：77-78.

[5]常留學，黃志成.基于Arduino的車輛防酒駕系統設計[J].汽車實用技術，2019（24）：130-132.

[6]雷蔓，張衛華，何曉芬.基于3D打印的應用型本科高校機械原理課程改革與實踐[J].時代農機，2017（08）：188+190.

Abstract： The main purpose of optical experiment in Junior high school physics is to let students master the law of reflection and refraction of light. At present， the automation degree of existing light reflection and refraction experimental equipment is low， which is not convenient for experimental teaching. To this situation， the team studied a light reflection and refraction tester. Firstly， Through the functional requirements analysis， We listed the functions that the tester should have， and designed its structure， and determined how it works. Secondly， using arduino?single chip microcomputer as the control core of the tester， studied the hardware composition and software programming of its control system. Finally， using 3D printing and other production techniques， manufactured the light reflection and refraction tester， and carried out the test. The experiment shows that the experiment instrument can meet the expected function and the need of experimental teaching.

Key?words： Light Reflection Refraction; 3D Printing; Experimental Instrument; Single Chip Microcomputer; ?Arduino