用Micro：bit探究光源频闪问题

谢作如 郑蕾蕾

当我们长时间在日光灯下看书时，眼睛容易疲劳，即使日光灯的亮度与白天无异。专家经过研究发现，日光灯的光源强度会随着时间的改变而改变，进而使人眼产生不适感。这种现象常被称为“光源频闪”，不仅日光灯会频闪，其他光源大部分都是如此，如白炽灯、LED等。

光源频闪现象就是指光源发出的光随时间呈快速、重复的变化，使得光源跳动和不稳定。光源频闪的实质是光通量的波动，光通量波动深度越大，频闪越严重。在交流或脉冲直流的驱动下，光源光通量、照度或亮度随电流幅值的周期性变化而发生相应的变化。电光源的光通量波动深度大小，与电光源的技术品质有直接关系。

● 光源频闪的危害

长时间在日光灯下看书容易眼睛疲劳，这是人眼到人脑对日光灯频闪这一现象产生的主观反应。专家通过实验研究，绘制出人眼对不同频率的电压波动引起的视觉敏感系数曲线（如图1），从曲线上可以看出最敏感的频率是8.8Hz，偏离该频率后，敏感度随频率而降低。当闪烁频率在40Hz以上时，感觉就不灵敏；在50Hz以上的闪烁就完全没有感觉。家用日光灯在50Hz频率的交流电下工作时，它的光源闪烁频率与交流电一致，故人们察觉不到光源的闪烁。但经过长期使用，日光灯会因为灯管老化或启辉器失效，使得人眼能够察觉到灯光的闪烁。一系列的科学研究表明，光源的闪烁对人体的视觉系统有刺激作用，若长期在闪烁的光线下工作或生活会对人的生理造成影响。

为了缓解人在日光灯下工作产生的疲劳与不适，有厂家就专门生产无频闪的护眼灯，号称无频闪的护眼灯真的不“频闪”吗？为了探究这一现象，我们利用Micro：bit对台灯、护眼灯、太阳光等进行亮度测量，先采集一定时间的数据，再利用Excel进行分析。

● 用Micro：bit测量普通台灯的频闪情况

Micro：bit是一款专为青少年编程教育设计的微型电脑开发板，接上各种传感器，可以作为数字采集工具来做各种科学实验。虽然Micro：bit上已经集成了环境光检测的功能，但并不是很敏感，我们外接了光敏传感器。实验装置如上页图2所示。

编程软件环境选择了BXY，这是DFrobot专门为Micro：bit开发的Python IDE工具，也是浙江教育出版社普通高中信息技术教材中选择的编程工具。

软件下载地址：https：//gitee.com/dfrobot/iPy/raw/master/BXY.exe。

1.代码编写

为了检测更加准确，我们设定让Micro：bit采集一定时间内台灯亮度值的变化，然后保存在一个.txt文件中。

用BXY编译如下Python代码，并下载到Micro：bit上。

from microbit import *

import os #涉及文件操作的庫

ts=running_time（） #记录当前运行时间作为起始点

t=ts

s='t＼ta＼r＼n' #生成标题行

for i in range（200）： #因为Micro：bit资源有限控制循环次数

t=running_time（ ）

val = pin0.read_analog（）

#得到亮度值，环境光传感器接在Pin0

s=s+"%d＼t%0.2f＼r＼n" %（（t-ts），val） #把时间与亮度值保存到字符串变量s中

with open（'data.txt'，'wt'） as dt：

dt.write（s） #把字符串写入data.txt文件

display.scroll（"done"，loop=True） #循环显示“done”提示完成

2.获取数据

代码运行后，我们从data.txt中找到具体数据，如图3所示。注意，这段代码是一开机就运行数据采集功能的，事先要把传感器的位置摆放好。

3.分析数据

因为在写入数据时加入了制表符（＼t）以及回车换行（＼r＼n），所以我们可以将data.txt文件中的数据全部复制到Excel中进行处理，在插入菜单中添加一张折线图图表，即可看到台灯光线亮度的波形图（如图4）。很显然，台灯的光强是上下抖动的，存在频闪现象。

● 用Micro：bit测量其他光源的频闪情况

我们继续测量太阳光和某款护眼灯的频闪情况。将数据合并起来，在Excel中画图进行比较。下页图5中最上面的是太阳光，接下来是普通台灯，最后是护眼灯。

通过比较可以看出，太阳光是一条笔直的线，一点都不闪。护眼灯也挺好，变化很小，说明这款护眼灯还是具有一定的护眼作用的。但是，普通台灯光源就不行了，闪烁非常明显，怪不得会导致眼睛疲劳。

● 探究案例的拓展

对于数据的采集，还有更加简单的方案，如直接用串口将数据输出。修改上面的代码，用print将变量输出。具体代码如下：

print（"%d＼t%0.2f" %（（t-ts），val））

打开BXY的串口监视器，就能看见数据在不断闪动，前面是时间，后面是光源亮度数据，如图6所示。

从采集到的数据中可以发现，Micro：bit的每次采样间隔是6毫秒。这个频率是很低的，并不适用于高频率研究，所以我们没办法直接用实验所得的数据，计算光源的真实闪烁频率。但是从理论上讲，只要采集足够多的数据，我们还是可以估算出这个闪烁频率的。

● 实验总结

本实验通过将复杂的数据直观化成波形图展现，使得学生对频率的理解更加形象有趣，对于中小学生来说，通过这种基于真实数据采集的实验探究，能体验科学的快乐，增强学习科学的求知欲，同时也能够初步体会数据统计的重要性。这个实验中，我们仅仅是用光敏传感器进行测量，如果加上其他传感器，还能制作出更多的科学测量工具，做更多的科学探究活动。

本实验也可进行继续研究。由于实际测量存在很多干扰因素形成干扰波，傅里叶变换能把不同频率叠加的波分离出来，并得到它们的频率。如果利用Micro：bit做大量的统计，再运用傅里叶变换进行计算频率，那么对高中生来说这是很有挑战性的工作，也很有价值。