从调光台灯到角度传感器的标定
吴俊杰 项华
在信息技术实验中，我们将有两种状态的量成为数字量（二值量），如LED在数字输出状态下，只有0和1、低和高两种状态;按钮在数字输入状态下也是只有0和1、按下和抬起两个状态。但是如果用蜡烛和LED比较，我们会发现蜡烛的火焰忽明忽暗，这意味着存在灭到最亮间的很多状态，其实计算机也可以“模拟”自然界中的这种有多个状态的情形，我们称为模拟量（多值量）。调光台灯就是一个用旋钮作为模拟输入控制模拟输出的LED灯的亮度的典型案例。旋钮是常见的模拟量传感器，一般来讲，其变化范围跟主控芯片的位数有关，arduino是0～1023，掌控板是0～4095，本案例从调光台灯出发到完成一个量角器的标定，体现了一个从创客造物到科学探究的完整的数字科学的研究过程。
● 创客造物
调光台灯在生活中很常见，用一个旋钮可以控制上面灯泡的亮度，这样做一方面节约电能，另一方面可以将阅读光线控制在合适的范围，有助于保护视力。目前这种调光台灯也在不断地智能化。在A-STEM创客课程中，我们常将创客造物和科学探究结合起来，有时造物作为科学探究的情境，有时探究作为造物的基础，本案例就是一个从创客造物到科学探究的典型案例。
本案例使用makerbrush来设计外观，套件提供了一组Laserblock开源积木，同样我们也可以用它们来搭建比较结实耐用的结构，这里需要搭建一个直角结构和一个90度转角的结构，此外还涉及如何用短梁生成长梁的技巧（如图1）。
将端口P0外接一个旋钮，通过掌控板显示出P0的数值，发现P0的变化范围是0～4095，有4096个状态，相当于2的12次方（如下页图2）。
实验发现，模拟输出的范围是0～1023，有1024种状态，是模拟输入状态的四分之一，这说明要把P0的范围换算为P8号引脚的范围，需要将P0数值除以4，为了保证不超出范围，使用了向下舍入（向下取整）的换算技巧（如下页图3）。
调试完程序，完成结构件搭建（如下页图4），创客作品就初步完成了，从信息系统的角度来看，旋钮起到了信息输入的作用，LED灯起到了信息输出的作用。
2.旋钮的标定实验
在使用旋钮的过程中，我们发现旋钮的输入的模拟值会伴随旋转角度的变化而变化，而且当角度一定的时候，旋钮的输入模拟值也会不变，这说明角度和模拟值之间存在一个“稳定的对应关系”，因而可以设计一个旋钮的标定实验，给定一个角度，记录其模拟量输入值。
实验装置是一个半圆形的量角器，在圆心处放置一个旋钮，旋钮的旋动部分和圆心重合。旋钮上部固定一个指针，将旋动角度和旋钮数值之间的关键固定下來，指针设计得比较长，尖端部分也比较尖（如图5），其目的是在控制旋转角度的时候更加精确。
制作完成的标定实验装置如图6所示，在读取数据的过程中应注意旋钮在物理特性上属于电阻型旋转电位器，这种器件在顺时针旋转和逆时针旋转的时候，在同一个位置的时候由于划片内部的张力，可能引起输入电阻不同，因此在标定实验中，要保证向一个方向拨动指针，并且尽量不要来回拨动。如果拨动过了一个刻度，就要重新回到零点再向这个数值拨动，拨动的方向保持一致，此外在读数上，应保证视线看向指针末端与量角器所在平面垂直，这样能够避免视线偏移可能带来的误差。
在实验过程当中量角器的每一个角度数值，记录一个P0的数值（如图7），并且通过绘制图像，让计算机自动找到P0和角度之间的换算关系（如图8），可以看出，在角度数值为50～180度之间的时候，函数的线性关系比较好，在0～50度之间，出现了比较大的偏移直线的现象，这是电位器碳粉图层的厚度不够均匀导致的。至此，旋钮的标定实验完成。
2.实验应用
应用角度和P0之间的换算关系，可以完成下面的程序制作一个数字量角器，自动地显示出指针和初始位置之间的夹角，在掌控板的第一行显示P0端口旋钮的模拟输入数值，第二行显示出角度（如图9）。
由于旋钮传感器的线性特性并不是非常理想，因此该量角器还需要进行一些改进，可以使用分段函数来替代线性函数，通过查表的方式确定P0端口模拟量数值和量角器角度的关系。当然，也可以更新电位器，选用线性特性更好的旋转电位器来完成实验。
角度传感器是一种常用的而且比较重要的传感器类型，一般来讲创客项目当中常常用它来控制舵机的角度或者调整LED的亮度，有时候也会用来控制条件判断的阈值。本案例使用科学探究常用的数码探科学的方式来进行从创客造物到科学探究的一个自然的衔接，体现了一种科创融合的教学理念，值得一线教师和创客课程研发者进一步地思考其在未来创客教育中的应用前景。
作者简介：吴俊杰（1982—），男，黑龙江鹤岗人，北京师范大学物理学系2020级博士研究生;项华（1964—），男，安徽合肥人，北京师范大学物理学系教授，教育学博士，通讯作者。
