基于Arduino的全反射实验系统设计

单旭晨，齐晓岩，宋晓丹，2，马 宇，莊沁融，刘书钢

基于Arduino的全反射实验系统设计

单旭晨1，齐晓岩1，宋晓丹1，2，马 宇1，莊沁融3，刘书钢1

（1.黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080；2.九州外国语学院，日本福冈；3.台湾国立东华大学，中国台湾 花莲）

文中以Arduino为基础平台构建出水导光全反射教学系统，极大地提高了课堂的互动性。同时，通过无线图像传输系统可以在课堂上直播教学过程，使学生对实验有更直观的认识和理解。该系统主要包括光学全反射系统、控制反馈系统、图像传输系统等板块。系统可以实现课堂创新、课堂实验、课堂直播等功能，有利于提高学生的兴趣，同时，对学生的学习和老师的教学有很好的辅助作用。

全反射；Arduino控制器；超声测距；光耦；无线摄像

Arduino是一款应用广泛灵活、硬件连接方便，软件编写简洁的基于单片芯片控制的开源开发平台［1］，是意大利Ivrea一家高科技设计学校Massimo Banzi老师的杰作。他的学生们经常抱怨找不到便宜好用的微控制器，在2005年冬天，Massimo Banzi同David Cuartielles讨论了这个问题，他们很快设计出一个微控制器——Arduino。由于Arduino经济实用、简单易学，使得Arduino一经出现，便迅速在欧洲传播开来，深受电子爱好者和艺术发明家的喜爱。而当时的中国，还没有对Arduino引起足够的重视，了解它的人较少，发展也比较缓慢，不过，近几年Arduino已经逐渐走入国内电子爱好者的视线，甚至有高校已经用Arduino来进行教学实验。Arduino硬件开发板集成度高［2］、接口集中方便，软件基于C语言［3］，使Arduino的学习与应用非常方便，更由于Arduino为开源平台，使其发展、完善迅速，即使从未接触过Arduino的人，也可以非常轻松地学习并利用Arduino实现很多现实生活中的简单应用甚至开发［4］。

基于Arduino系统，以教学仪器小型化、直观化为目标，设计了一套以教学为目的的小型光机电一体化教学系统。该系统在以Arduino为基础的控制平台上，搭建光学系统，可以实现光、机、电一体化。利用控制器通过弱电和机械控制光学实验，不但在操作精度上具有明显优势，也可以在一些不适合人工操作的场合发挥巨大作用。

1 Arduino的开发环境

Arduino控制器的应用主要为外部信号的传感检测、信号的转化、信息的传递以及电路的控制。由于硬件内嵌了A/D转化芯片，它可以利用各种模块化的传感器，很轻松地将声、光、力、热、磁等信息转化为电信号供自身采集与处理，处理后的信号可以通过USB口、串口和无线通信进行信息传递。最后，系统将传递信号变成控制外部器件的电压输出。各部分经过合理的组合，便可编译出适应任何场合的系统。

Arduino的硬件是很强大的开源平台［5］，其与传感器、PC端交互信号非常方便。Arduino的官方网站可以下载操作系统相应版本的IDE［6］。在Tools的Board中设置Arduino板子的型号，在Tools的Serial Port里设置连接的COM口号，设置完毕后，可以看到右下角显示已经连接到的COM口和Arduino的型号。

Arduino语言是建立在C和C++语言基础上的一门更为简洁的语言［7］，Arduino语言中数据类型、关键字、运算符等基础语句与C语言完全相同。

2 基于Arduino的全反射光学系统

全反射光学系统起源于丁达尔水桶流光实验。目前，国内大多数人用水瓶原样模拟此实验，也有使用水龙头作为水源的大型全反射系统，但全反射效果均不明显。为了让所有学生在课堂上更好地学习、观察光学全反射实验，设计了本套全反射实验系统，实验系统流程如图1所示。本系统是目前国际上唯一用水泵和传感器反馈控制水面，并得到全反射图像最清晰、反射次数最多的系统。通过Arduino控制器将测距模块、光耦模块的测量反馈信号进行处理并分析，通过控制水泵实现水平面的平衡，达到水流平稳的目的，同时，采用大功率激光器，减少水中杂质对光线散射的影响。

本实验系统分为三个部分：全反射系统、控制反馈系统、图像传输系统，如图2所示。全反射系统把一束激光器发出的激光射在灌满水的容器的出水口处，光会沿着水流通过全反射传播（原理类似于光纤）；控制反馈系统的处理核心是一个通过蓝牙无线控制的Arduino控制器，还包括勘测水位高度的光耦合超声测距模块，由水泵和电磁阀构成的水位平衡系统；图像传输系统是为了实现多媒体网络同步教学而设计的，主要由无线网络摄像头实现。在做实验时，可以将摄像头固定好，通过测距模块测量到拍摄物之间的距离，使其连接的变焦透镜改变焦距，得到清晰的图像，再将图像传送到电子投影上，扫描范围比以往更大，图像更清晰，可以让所有学生身临其境地观察实验的每个细节。在不远的将来，还可将上课视频同步直播到校园网。整套摄像设备被放在小车上，除做教学摄影外还可以进行无人勘测。

图1 实验系统流程图

图2 全反射光学系统模拟图

全反射系统利用一个盛水容器，在前方开孔让水流出，开孔大小与水流速度有关，所以大小应适中。注意实验用水最好为熟水，因为生水会有大量小气泡，不适合光线在水中传播。激光器的波长对实验影响不是很大，但为了实验效果明显，光强要达到一定的强度，确保看到清晰、明显的实验效果。在Arduino的测距返回与光耦的保护电路均可以按照预想设计执行，当水位小于4 cm即达到光耦处，水泵停止抽水，以防止破坏整套系统设施。从图3可以看出，光在水流中产生了很清晰的全反射光线，且一直跟随水流进入到水槽中，说明光从水入射到空气的时候，在角度合适的情况下发生了全反射。

控制反馈系统的工作思路是，通过HC－SR04超声测距传感器来确定水位高度，检测水位信号，当水位没达到设定高度时，用Arduino控制水泵加速抽水；当达到设定水位高度时，减速抽水，直至达到理想水位。同时，光耦放在警戒高度，当水位达到光耦所处高度时，由于水的折射率和空气不同，导致接收端接收不到发射端发出的光信号，从而在Arduino返回水位超过警戒的信号，反向抽水，使水位下降。由于整套系统中需要水泵双向抽、放水，而目前还没有虹吸式双向水泵，所以，利用一个单向水泵和四个电磁阀设计了一套单向水泵双向抽水系统，如图4所示。

图3 全反射光学系统实验图

图4 水平衡系统示意图

图4 中可以看出，当1、3电磁阀打开的时候，2、4电磁阀关闭，此时水泵单向从右向左抽水；当打开2、4电磁阀，关闭1、3电磁阀的时候，水泵方向不变，但此时变成了从左向右抽水。

3 结束语

本文以Arduino控制器作为控制核心，搭建了一个方便、简单的小体积光学实验平台，该设计具有很好的课堂教学与网络教学前景、重要的学术研究价值和实际应用价值。相比于国内外的全反射系统，本系统体积小巧且不需要水龙头持续供水，性能稳定、造价低，是目前水流光实验效果最好的系统之一。通过Arduino控制器对水位信号、水流速度和方向进行精确地控制，以LabVIEW软件为上位机，通过简单的图形化程序界面方便操控者进行数据直观读取和控制。图形化显示的水位高度理论精度可达到0.3 cm，在实验时由于误差和环境限制，水位误差高度也不会高于1 cm。激光器采用普通的半导体激光器，价格便宜。

本实验对目前的教学模式有着重要的意义：首先，将小型化光学实验引入了课堂，创新了课堂教学模式；其次，将简单、易上手的Arduino控制器引入了学生视线，学生可以将更多精力放在专业课的学习上，利用Arduino轻松地完成自己的创意，不用为烦琐的程序控制而发愁；最后，采用了现场多媒体网络教学的新模式，使教学更直观化、网络化。

［1］崔才豪，张玉华，杨树财.利用Arduino控制板的光引导运动小车设计［J］.自动化仪表，2011（9）：6－8.

［2］蔡睿妍.基于Arduino的舵机控制系统设计［J］.电脑知识与技术，2012（15）：4－5.

［3］纪欣然.基于Arduino开发环境的智能寻光小车设计［J］.现代电子技术，2012（15）：99－101.

［4］凯姆·卡尔文，泰勒·卡尔文，庞明珠.Arduino与电子制作［J］.电子制作，2012（8）：68－73.

［5］Drum Master.IntroductiontoDrumMaster［EB/OL］.［2012－05－03］.http：//drummaster.digitalcave.ca/.

［6］Arduino Team.ArduinoDuemilanove［EB/OL］.［2012－05－05］.http：//arduino.cc/en/Main/ArduinoBoard-Duemilanove.

［7］黄伟敏.Android平台的即时通信系统客户端设计方案［J］.现代电子技术，2011（16）：140－141.

Total Reflection Experiment System Based on Arduino

SHAN Xuchen1，QIXiaoyan1，SONG Xiaodan1，2，MA Yu1，ZHUANG Qirong3，LIU Shugang1
（1.Electrical Engineering College，Heilongjiang University，Harbin 150080，China；2.Kyushu Institute of Foreign Languages，Japan Fukuoka；3.National Dong Hwa University；）

We established a system on total reflection of light，which immensely improved class interaction.At the same time，we can live in the classroom by using the wireless image transmission system，and the experimentmakes students havemore intuitive understanding.The system contains several parts，including optical total reflection system，feedback control system and image transmission system.Meanwhile，this system can also realize the classroom innovation，classroom experiment，classroom live，improve the interest of the students，and bring convenience to students and teachers.

total reflection；Arduino controller；ultrasonic distancemeasurement；light coupling；wireless camera

O436

B

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.006

2013－10－11；修改日期：2013－11－13

黑龙江省高等教育教学改革基金资助项目（JG2013010077）；黑龙江大学新世纪教育教学改革基金资助项目（2013B33）。

单旭晨（1990－），男，硕士生，研究方向：物理检测。

刘书钢（1956－），男，教授，研究方向：生物成像技术。