创客技术助力科学实验系列 | 一天的气温变化 DF创客社区

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【前言】

图1

教科版小学科学四年级上册的第三单元的内容为《天气》，其中的第3节为《温度与气温》。在该节课中有一个实验——“气温的测量”，需要测量一天中五个时间的气温并绘制成统计图。使用创客技术来改进这个实验方案，可以增加测量时间点使实验数据更加详实，24小时无需人员值守，并且可通过电脑处理数据绘制成统计图，以便得到更加完美的实验结果。

演示视频

【总体方案】

由于实验时间长，本实验采用先进行数据采集、后进行数据处理的方法。这样不仅能节约能耗，而且能保证实验取得成功。

图2

数据采集端：利用micro:bit作为主控板(其他开源主控板亦可)，外接1个DS18B20温度传感器（或者LM35温度传感器）、1个时钟模块和1块显示屏。每隔8分钟*进行一次温度测量并将数据存储下来，同时对采集到的温度进行对比，找出最高温度和最低温度，记录下数值及发生的时间。持续实验24小时后，将最高温度和最低温度及出现的时间等信息显示在屏幕上。

*考虑到micro:bit的存储量限制，间隔时间越短采集的数据越多，如果超过存储量会导致实验失败。

数据处理端：将1块micro:bit连接到电脑，以实时模式运行编程软件。将采集端micro:bit主控板上存储的数据通过无线通讯方式传输给处理端的micro:bit主控板，继而传输给电脑，通过编写好的程序对数据进行处理、绘制成统计图。

【创客器材清单】

图3

（1）micro:bit 2块

（2）IO扩展板 1块

（3）温度传感器 1个

（4）锂电池及底座 1个

（5）OLED-12864显示屏 1个

（6）DS1307时钟模块 1个

【实验平台搭建】

1. 硬件搭建

图4

如图所示，将micro:bit插入扩展板插槽中，将温度传感器连接到扩展板的P0引脚，将时钟模块和显示屏连接到IIC引脚。

将锂电池连接到扩展板的电池供电口。

2.外型设计、切割

图5

使用CAD制图软件，为实验平台设计外型部件。

图6

使用激光切割机对亚克力板材进行切割。

3.组装成型

图7

将切割好的亚克力板组装好。

图8

将硬件材料安装到亚克力平台和支架上。

【实验活动】

一、数据采集

（一）实验方案

将实验器材放置在一个阴凉通风*的地方，按下主控板A按钮后，开始运行测量程序。每隔8分钟进行一次气温采集，持续进行24小时。24小时后，将测量到的最高温度、最低温度及发生的时间显示在屏幕上。当按下B按钮后，开始通过无线通讯方式传送数据给数据处理端。考虑到电源是一个锂电池，在数据采集过程中，让显示屏处于休眠状态。

*在阳光照射下或者封闭的室内环境中，测量的温度与实际气温有很大的差异。

（二）编写程序

根据实验方案，为数据采集端的主控板编写程序。

图9

示例程序采用Mind+ V1.7.0软件编写，需切换到上传模式。将编写好的程序上传到主控板上进行测试，测试时可将等待时间设置成1秒，方便快速看到程序运行结果。

（三）采集气温

图10

根据实验方案，寻找合适的地点放置实验器材。图片所示环境为：距离地面2.5米左右的空调外机平台，通风，无阳光照射。

开启电源，按下主控板上的A按钮，开始进行数据采集。

（四）收回实验器材

图11

24小时后，收回实验器材。对屏幕上显示的信息进行记录。保持电源的开启状态*，进行下一步数据处理工作。

*采集到的180个温度数据还存储在主控板内存中，如果断电，数据将会被清除。

二、数据处理

（一）实验方案

编程软件Mind+在实时模式下运行，让数据处理端的主控板与数据采集端的主控板进行无线连接，当接收到数据后在电脑上运行绘图程序。绘图程序主要使用画笔模块，根据采集到的数据总量（180个）来决定绘图点X坐标的起止位置（-180~180），每收到一个数据就将X坐标值增加2；将接收到的数据作为当前绘图点的Y坐标值的计算基数（考虑到近期温差较小，实际Y坐标值=数据*4）。

（二）编写程序

1.打开Mind+软件，切换到实时模式。