用温度传感器让水的沸腾实验自动化

一、缘起

在物理教学中，物理实验是重中之重。物理实验是物理学科的特色，是物理之所以称为科学的根本所在。现在的物理课本中，各种实验依然在使用着几十年前的实验器材和方案。但在现实的物理研究中，信息化技术，各种传感器早以是实验必备的工具了。在知网中查询可发现，物理教学中使用信息技术和传感器的探索研究已经达到了数百篇。可见物理实验中应用信息技术和传感器，是一种趋势，是未来物理教学中必然会增加的教学手段。

初中物理“水的沸腾”实验，需要将适量的水用酒精灯加热到沸腾，是一个比较费时的实验。“水的沸腾”实验在八年级物理上册书中，讲到这一节时已经接近冬季，外界温度较低，将水由常温用酒精灯加热到沸腾需要25分钟甚至更长的时间。一节45分钟的课程，几乎无法在课堂上完成这一实验。

“水的沸腾”实验过程不仅要记录时间、温度，还有许多细微的现象需要观察。同时注意多个数据和现象，这时往往会出现顾此失彼，遗漏掉一些应该注意到的事项。

基于以上原因，经过探索研究，设计出了以下的实验改进方案：

1.使用锥形瓶减少水量。

2.使用橡皮塞，并在上面打孔，减少热量的散失。

3.使用80℃左右的热水，减少加热时间。

4.使用温度传感器，并在电脑上实时自动采集温度变化，完成记录表格和折线统计图。

若能将上述设计加以实现，必能解决上面的诸多问题。

在物理实验中使用温度传感器，是本实验的一个亮点。本人也是第一次接触温度传感器，对我来说也是一次挑战。上面的实验设计中不仅包含了硬件上需求，还有编写Arduino程序和Windows程序，这一过程不仅花费了我数十个小时，更是碰到了许多的问题。现在本人将这一摸索过程记录下来，同大家共同交流。

二、系统设计

以前虽然没有使用过开发板，但对开发板的工作原理还是了解一些的。经和信息技术教师讨论，确定自动测温系统结构组成如下：

硬件组成

1.温度传感器

2.Arduino开发板

3.电脑

软件组成

1.Arduino程序

2.PC软件

系统工作过程

PC软件通过串口定时向Arduino开发板请求温度数据，Arduino开发板接到请求后，从温度传感器获取当前温度，并返回给PC软件。PC软件获取数据后，按要求填入表格，并动态绘制折线图。

三、系统实现过程纪实

理想很丰满，现实很骨感。自动测温系统的实现过程也有着几个小波折。

1.温度传感器的购买

有了在教学中使用温度传感器的想法之后，就在淘宝上进行的查询搜索，最终选择了DS18B20这种温度传感器，并且传感器+数据线+转换模拟共8.6元的价格让我松了口气。于是就果断拍下了下来。

在拍下这个传感器后，又向老板问了一些问题。学习到三个引脚的作用：DAT数据引脚、VCC电源引脚、GND接地线。并得到了一个不太好的消息，这款传感器的外包线材质为PVC，PVC在80℃以上就会变形，要想测量沸水的温度，需要使用耐高温的硅胶线，并且老板这里没有这种线。为了保险，我又找了一家，购买了前端探头不锈钢加长到15厘米，线为硅胶材料，并且线长1.5米的DS18B20温度传感器。这次又花费15元。购买温度传感器共花去23.6元，均为自费。

2.Arduino开发板的驱动安装

温度传感器到手后，从学校借到Arduino开发板，并向管理老师简单询问了一下使用方法。提心吊胆的把线路连接了起来，十分担心把板子给弄坏了。最后鼓足勇气，把板子通过USB连到了电脑上。开发板的灯终于亮了起来，但在设备管理器那个地方出现了一个惊叹号，驱动程序没有按管理人员说的那样自动安装好。后又向管理人员询问解决办法，得到的回复是，他那里是正常的，他也不知道如何解决这个问题。经过百度，终于知道原来我的系统中缺少文件。分别将网上找来的mdmcpq.inf和usbser.sys放到正确的位置，并按网上的教程再次安装驱动，终于安装好了。这个过程花了我近3个小时。

3.Arduino程序开发

从网上下载了可拖拽编程的Arduino集成开发环境Mid+。以前没用过个IDE，但用过Scratch。没有看教程，凭借自己多年的编程经验，经过近1个小时的摸索尝试，终于写出了一个10行左右的代码。

编写程序的过程大概如下：先选择DS18B20传感器模块；循环从串口中读取信号；如果读到信号，就从传感器获取温度响应，通过串口发送出去。

如果现在再去写这段程序，估计也就几分钟的事。写完代码，将代码烧录到开发板上，打开串口监视器，可以看到开发板能够按要求返回温度数据。

4.PC软件开发

PC软件开发我较为熟练，一切都轻车熟路。本软件用Visual Studio 2019 C#开发。

首选设计出了程序界面，如下图：

添加一个定时器控件，定时向Arduino发送请求，获取数据。代码如下：

private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)

{

pchReceive.SendData("1");

}

接收到返回数据后，动态添加到折线图中，并每隔30秒将当时的温度数据添加到表格中。代码如下：

/// <summary>

/// 众串口接收的数据

/// </summary>

/// <param name="data"></param>

private void ComReceiveData(string data)

{

this.Invoke(new EventHandler(delegate

{

double wd = double.Parse(data);

if (sec % 30 == 0) // 每30秒向表格添加一次数据

{

ListViewItem item = lv_table.Items[0];

item.SubItems[sec/30+1].Text = wd.ToString();

lv_table.Update();

}

//向折线图添加数据

chart1.Series[SeriesName].Points.AddXY(sj, wd);

}));

}

PC软件虽然轻车熟路，但工作量明显是最大的，前后花费有6个多小时。

四、实验的实施与不足

经过反复调试后，所有设备和程序都能正常稳定的工作了。将设备组装起来，实际进行了一次“水的沸腾”实验，实验很成功。只用了3.5分钟就让水沸腾了。表格中自动记录了温度，折线图也十分明显的表现出了沸腾的温度特点。学生和教师都能腾出更多的时间去观察和解释实验现象，使课堂变得更加轻快。

在实验中也发现了两点不足之处：

1. 程序自动记录的数据显示，在96℃时，水就开始沸腾了。对于这个问题，还需要分析解释出现这一问的原因是因为测温的延迟。

2. 购买的温度传感器的精度不够，误差较大。

五、结论

这是一次充满波折，但又十分有趣的尝试。这是我在一穷二白，从没用过开发板的情况下，第一次将传感器和创客板应用到了物理课堂教学中。在本实验中使用温度传感器，使课堂变得更加轻松，减少了那些机械性的重复工作，可以把学生和教师的精力重点放到更加有趣和重要的实验现象中。然后利用自动记录的数据和图表，对实验中观察到的现象进行分析，使得相关知识的讲授更加轻松自然，简单易行，丰富多彩。实际也表明，在物理课课堂中使用恰当的信息技术手段和传感器，对提高教学效果有着明显的作用。让我们的课堂进一步的面向现代化，面向未来。

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