基于Arduino和LabVIEW數字化實驗的開發與應用*
——以“探究影響單擺的周期因素”的單擺實驗儀為例

陳文鋒 吳燦銘 李秀燕

(閩南師范大學 物理與信息工程學院 福建 漳州 363000)

1 引言

《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》強調要注重信息技術與教育的全面深度融合[1]．《基礎教育課程改革綱要》也明確提出“培養和發展人的信息素養要作為滲透素質教育的核心要素”[2]．數字化實驗是現代信息技術應用到物理教學中的典型代表，是促進教育信息化的重要組成部分，也是促進信息素養和物理學科核心素養達成的重要途徑．

Arduino是一款基于開放原始代碼的簡單I/O平臺,包含硬件Arduino板和軟件ArduinoIDE，它能通過各種各樣的傳感器來感知、反饋和影響環境．LabVIEW是美國國家儀器公司(NI-National Instruments)研發的一款圖形化編輯語言G編寫程序，具備強大的界面編程功能．

受文獻[3～5]啟發，筆者以Arduino單片機和LabVIEW虛擬儀器為基本平臺，研發便攜式數字化單擺周期測試系統，既提升了單擺周期測量的準確性，優化了數據自動化處理功能，又能在教與學的過程中潛移默化地提升了師生的信息素養與學科素養．

2 數字化實驗的設計

2.1 實驗器材

單擺，Arduino開發板，Arduino IDE軟件，LabVIEW軟件，ZigBee無線通信模塊，光電門．

2.2 單擺測試系統

如圖1所示，單擺測試系統原理圖涉及Arduino下位機和LabVIEW上位機兩個核心部件．單擺測試系統有3個子系統：數據采集系統是以作為控制核心的Arduino搭配光電門傳感器構成，用于采集單擺的振動周期；數據傳輸系統由兩個ZigBee無線傳輸模塊構成，用于將測量的數據傳輸給計算機；數據處理系統即LabVIEW上位機，用于實時顯示數據采集結果，并繪制周期與擺球質量、周期與擺角、單擺周期與擺長等函數關系曲線．

圖1 測試系統原理圖

圖2為單擺測試系統的實物接線圖．3個子系統的工作過程如下.

圖2 測試系統實物接線圖

首先，Arduino開發板的9號模擬口作為光電門的數據端口，與光電門的數據線相連接，通過Arduino記錄單擺從最高點下落，第一次經過光電門與第三次經過光電門的時間差，即為單擺的一個完整周期，取3次振動周期的平均值記錄；

其次，Arduino開發板的12和13號模擬口作為無線通信模塊的收發口，配合兩個ZigBee無線通信模塊與LabVIEW上位機進行無線通訊，從而把Arduino采集到的數據傳輸到LabVIEW上位機．

數據處理系統的程序框圖如圖3所示．

圖3 數據處理系統程序框圖

數據處理界面圖如圖4所示，其中，①號窗口用于選擇正確的I/O端口，保證測量數據的正確傳輸；②號窗口用于選擇數據的存儲文件路徑；③號窗口用于輸入擺球質量、擺角、擺長等實驗參數；④號窗口用于實時顯示光電門所測的單擺振動周期；⑤號窗口可實時記錄實驗數據；⑥號窗口則用于繪制m-T，θ-T和l-T等函數關系曲線；⑦號位置可以顯示擬合曲線的函數．

圖4 數據處理界面

實物裝置圖則如圖5所示，主要包括能調節懸線長度和配有光電門與角度儀的單擺實驗裝置、Arduino模塊和安裝好LabVIEW處理系統的計算機．

圖5 實物裝置圖

3 實驗過程

3.1 實驗要求

高中物理“探究影響單擺振動周期的因素”實驗中課標[6]要求是能通過實驗，探究單擺的周期與擺長的定量關系．

下面就如何利用自制數字化單擺實驗裝置，探究影響單擺周期的各種因素作詳細介紹．

3.2 實驗過程

步驟一：探究單擺的振動周期與擺球質量的關系

采用控制變量法，將單擺的擺線長固定為0.15 m，擺角統一為5°．選擇20 g鐵球，10 g木球，5 g塑料球作為擺球，通過測量結果分析所測周期與擺球質量的關系．

先取20 g鐵球作為擺球，安裝好單擺實驗裝置，從5°擺角處，無初速度釋放擺球，觀察單擺的振動情況，在確保小球做單擺運動后，利用光電門自動記錄單擺振動周期，Arduino接受光電門的數據信號并傳給無線串口Zigbee A，無線串口Zigbee A將接收到的數據信號發送給無線串口Zigbee B，無線串口Zigbee B再將接收到的數據信號傳給計算機中的LabVIEW程序進行處理和顯示．具體步驟如下：先在①號窗口選擇COM4作為串口端；在②號窗口選擇數據存儲的文件路徑；在③號窗口輸入擺球質量、擺角、擺長3個實驗參數；則在④號窗口中可實時顯示光電門所測的單擺振動周期．

將小球更換為10 g木球，5 g塑料球后，重復以上過程，在⑤號窗口可實時顯示每次測量的相關實驗數據；當數據采集完畢以后點擊畫圖按鈕，則在⑥號窗口可繪制m-T函數關系曲線．

由圖6所示測量結果可知，m-T函數在誤差允許范圍內為一水平直線，說明隨質量的增加，周期不變，從而向學生說明單擺的周期與擺球質量無關．

圖6 單擺振動周期與擺球質量的關系圖像

步驟二：探究單擺的振動周期與擺角的關系

此時，將單擺的擺線長固定為0.15 m，擺球質量統一為20 g．選擇2°、5°和8°作為擺角，分析所測周期與擺角的關系．

每次固定一個擺角后，同樣利用光電門自動記錄單擺的周期，利用Arduino和無線串口的藍牙傳輸進行數據信號的接收與發送，最后傳給計算機中的LabVIEW程序處理顯示．①②③④號窗口的操作與步驟一相似．

當數據采集完畢以后點擊畫圖按鈕，在⑥號窗口也可繪制得到θ-T函數關系曲線．由圖7可知，此時θ-T函數在誤差允許的范圍內也為一水平直線，同樣可向學生說明隨擺角的增長，周期并沒有隨之發生變化，因此，單擺的周期與擺球質量無關．

圖7 單擺振動周期與擺角的關系圖像

步驟三：探究單擺的振動周期與擺長的關系

此時，將單擺的擺球質量同樣固定為20 g，擺角仍統一為5°．將擺線從0.15 m開始以0.02 m為間隔，逐次遞增擺長至0.31 m，分析所測周期與擺長的關系．

每改變一次擺長，參考步驟一，重復以上①②③④號窗口的操作．在⑤號窗口可觀測每次測量所得的相關實驗數據．當數據全部采集完畢以后點擊畫圖按鈕，則在⑥號窗口可獲得l-T函數關系曲線．由圖8的l-T函數關系曲線可以發現，隨著擺線長度增長，單擺的振動周期也隨之增大.

圖8 單擺振動周期與擺長的關系圖像

利用LabVIEW的曲線擬合功能，由圖8可得此時單擺周期和擺長的函數關系為T=2.03l0.51，由此可知，單擺的周期與擺線的方根有一定的關系．為進一步驗證猜想，再次利用LabVIEW的曲線擬合功能，得出l-T2的函數關系曲線，擬合后的方程為T2=4.076l-0.016≈4.076l，由此可知，在誤差允許的范圍內周期的平方與擺長近似成正比關系．

通過數字化單擺實驗儀，從步驟一操作到步驟三，可得出單擺的周期與擺角、擺球質量無關，與擺長的方根近似成正比關系．

4 結束語

利用Arduino單片機和LabVIEW虛擬儀器平臺，設計開發的數字化便攜式單擺實驗裝置，既克服了傳統單擺實驗周期測量不確定、數據分析不直觀等缺點，也規避了成套DIS數字化實驗設備價格昂貴、不易攜帶而較難普及等不足；通過測試系統自動繪制的質量、擺角、擺長和周期的函數圖像，可讓學生直觀觀測影響單擺周期的因素；師生在數字化教學資源的開發與利用的過程中，無形中促進了信息素養和物理學科核心素養的達成.利用Arduino與LabVIEW 搭建的實驗系統具有較強的可移植性，能在同一套實驗設備開發多個數字實驗，便攜節能；此外，通過自主開發實驗儀器，有助于學生創新思維能力的培養，學生通過參與開發實驗儀器并完成相關的實驗，會在獲得基本的實驗探究知識、能力、技巧之外，促進學生未來實驗開發的能力提升.