科技教育創(chuàng)新成果一等獎：自制DIS實驗主板

作者

翁浩峰/浙江省寧波中學(xué)

DIS實驗系統(tǒng)簡介

DIS（Digital Information System）即數(shù)字化信息系統(tǒng)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計算機軟件”構(gòu)成的實驗系統(tǒng)。在物理學(xué)中絕大多數(shù)的物理量，如位移、力、溫度、電壓、電流等，均可用DIS進行測量。高中《物理》教材中也有很多關(guān)于DIS實驗的案例。一般來講，DIS實驗使用的都是商用DIS實驗系統(tǒng)，價格較為昂貴。

DIS實驗系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器，以及計算機或手機端軟件組成。早期的DIS實驗系統(tǒng)中，傳感器和數(shù)據(jù)采集器間、數(shù)據(jù)采集器與計算機間都是有線連接，現(xiàn)在也有將傳感器與數(shù)據(jù)采集器合二為一，并使用藍牙等無線方式與計算機軟件通訊的。

基于ESP32的自制DIS實驗系統(tǒng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了一批便宜好用的物聯(lián)網(wǎng)硬件和傳感器，加之近幾年創(chuàng)客教育的普及，讓物聯(lián)網(wǎng)硬件和傳感器的使用越發(fā)簡單，原來遙不可及的自制DIS實驗有了實現(xiàn)的可能。

基于ESP32和phyphox的自制DIS實驗系統(tǒng)

隨著基于ESP32與phyphox（手機物理工坊）的自制DIS實驗系統(tǒng)近期較為流行，它通過對ESP32進行編程，實現(xiàn)采集各種傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍牙方式發(fā)送，在手機端可使用phyphox軟件接收數(shù)據(jù)并繪圖。

ESP32是一款集成了Wi-Fi、藍牙功能的微控制器，性能優(yōu)異、價格低廉，在線資源非常豐富，不僅可以用專業(yè)的C語言編寫程序，還支持micropython語言。

Phyphox是一款十分流行的物理實驗應(yīng)用程序，除了可以采集手機自帶傳感器的數(shù)據(jù)外，還可通過藍牙接收來自外接傳感器的數(shù)據(jù)，不僅可以對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示并繪制成圖像，還能對數(shù)據(jù)進行簡單處理，或者通過即時通訊軟件將數(shù)據(jù)以excel表格的形式發(fā)送到電腦端進行進一步處理。此外，它還支持自定義顯示界面，在官網(wǎng)上編輯個性化的實驗界面后，可通過掃碼或直接下載文件等方式在手機端打開。

在計算機端，可以通過phyphox的遠程訪問功能，啟用服務(wù)器功能，同一個局域網(wǎng)內(nèi)的計算機就可通過網(wǎng)頁打開phyphox上的實驗界面。還可以直接編寫支持Web Bluetooth API的html網(wǎng)頁，可以在本地直接用瀏覽器打開，或者將其放到網(wǎng)站上用瀏覽器遠程訪問，即可在網(wǎng)頁上顯示數(shù)據(jù)和繪圖，還能實現(xiàn)更多的功能，比如數(shù)據(jù)驅(qū)動下的動畫等。筆者開發(fā)了一個網(wǎng)頁版的DIS實驗系統(tǒng)，可以通過瀏覽器訪問https://www.makemaker.net進行測試。這種網(wǎng)頁版DIS實驗的方式，只需要瀏覽器支持Web Bluetooth API即可，計算機或手機上的瀏覽器均可。

實驗系統(tǒng)硬件制作上的困境與突破

自制DIS實驗系統(tǒng)中的ESP32一般使用開發(fā)版。為了能與傳感器連接，通常需要使用面包板，圖1為自制的使用ADS1220的力傳感器。使用面包板的不足之處包括：復(fù)雜的連線足以勸退大多數(shù)對自制DIS感興趣的教師；連線經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良等問題，且很難在短時間內(nèi)排除故障，在課堂上使用風(fēng)險極高；這樣的DIS實驗只適用于實驗開發(fā)階段，無法批量制作讓更多的教師使用。

圖1 使用ADS1220的力傳感器

物理實驗中的各種傳感器，多數(shù)是先將物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，再通過對電學(xué)量的測量實現(xiàn)。雖然ESP32上自帶了一個12位的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），但其測量精度和分辨率均不高，無法滿足物理實驗中的電壓測量，針對力傳感器輸出的最大只有幾毫伏的電壓更加無能為力。

因此，開發(fā)一塊自制DIS主板，將ESP32與高精度ADC集成在一起，并使用一些接插件方便的連接傳感器，不僅可將自制DIS實驗難度降低，還能保證使用過程中的穩(wěn)定性，讓自制DIS實驗真正具有使用價值。

自制DIS實驗主板

DIS實驗主板經(jīng)歷了長達3年的開發(fā)與制作。整塊主板的設(shè)計主要包括5個部分，為了方便后期批量制作，全部使用了貼片元件，如圖2所示。

圖2 自制DIS實驗主板

ESP32主控板

自制主版使用的是ESP32的郵票版，可以方便地貼在PCB板上，其價格僅為ESP32開發(fā)板的一半。

ADS1120高速ADC芯片

ADS1120是一種精密的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該器件具有2個差分或4個單端輸入，1個靈活的輸入多路復(fù)用器（mux），1個低噪聲、可編程增益放大器（PGA），2個可編程勵磁電流源，1個基準電壓源等。雖然ADC芯片有很多型號可供選擇，但ADS1120擁有的PGA最大倍率可達到128倍，使其可以直接測量力傳感器上的微小差分電壓。另外，ADS1120還具有1個電流源，可以被設(shè)計成恒流源，能產(chǎn)生很多實驗創(chuàng)意。ADS1120與ESP32間采用SPI通訊，硬件部分的連接已經(jīng)設(shè)計在主板上。

基準電壓源

主板上還設(shè)計了一個基準電壓源芯片，芯片型號為REF3030，能提供3?V基準電壓，精度達到了0.05%。雖然ADS1120中也內(nèi)置了2.048?V的基準電壓源，但無法供外部電路使用。在一些實驗中，比如電壓傳感器，就需要有高精度的電壓源給橋式電路供電，因此在主板上增加了這個芯片，這個電壓源同時也連接到ADS1120上，可作為外接基準電壓源使用。

CH340串口電路

要給ESP32寫入程序，需設(shè)計單獨的串口電路，使用了CH340K串口芯片，并用2個三極管設(shè)計了自動上傳電路。與電腦連接的接口選擇了當(dāng)前流行的TypeC接口，不過由于主板未設(shè)計充電電路，這個接口僅限于連接ESP32并給它供電，無法給電池充電。

電源管理電路

ESP32的供電電壓為3.3?V，但來自TypeC的電壓為5?V，來自鋰電池的電壓為3.7?V，需要將這些電壓降壓到3.3?V后給ESP32供電。由于3.7?V降壓到3.3?V的壓差太小，導(dǎo)致常見的降壓芯片，比如LM1117-3.3無法正常使用，查閱很多資料后，找到了一款降壓芯片RT9013-33GB：250?mV壓差，3.3?V輸出，500?mA輸出。

最后，在主板上設(shè)計了3個按鈕、2個指示燈和一些PH2.0的輸出接插口。

基于DIS主板的傳感器設(shè)計案例

制作DIS主板的目的是簡化硬件連接，并增強DIS的可靠性和耐用性，讓自制DIS實驗也能出現(xiàn)在日常的課堂演示實驗甚至學(xué)生實驗中。基于這塊DIS主板，可以開發(fā)設(shè)計各種各樣的自制DIS實驗。

力傳感器

借助DIS主板，原本復(fù)雜的無線力傳感器變得非常簡潔，只需插上屏幕和應(yīng)變梁，再寫入對應(yīng)的程序就可輕松制作一個力傳感器，搭配亞克力板的結(jié)構(gòu)件，即可變成無線力傳感器（圖3—圖5）。

圖3 力傳感器結(jié)構(gòu)

圖4（左） 壓力傳感器

圖5（右） 拉力傳感器

基于無線力傳感器，可以開發(fā)出一系列力學(xué)實驗，比如彈簧振子受力實驗、單擺受力實驗、超重失重實驗、作用力反作用力實驗、摩擦力研究實驗等。

電壓、電流傳感器

集成了ADS1120的DIS主板，本身就是一個電壓傳感器，還可通過改變增益實現(xiàn)不同量程，圖6是多量程的電壓（或電流）傳感器，能通過主板上的按鈕實現(xiàn)量程切換，在電壓傳感器基礎(chǔ)上，給輸出端并聯(lián)1個已知阻值的采樣電阻，就可以改裝成電流傳感器。為了方便實驗，專門設(shè)計了一塊轉(zhuǎn)接板(圖7)，通過轉(zhuǎn)接板上的撥碼開關(guān)，實現(xiàn)采樣電阻的并聯(lián)等操作。配合亞克力板，就可以組裝成一臺無線電壓（電流）傳感器（圖8）。

圖6 電壓（電流）傳感器結(jié)構(gòu)

圖7 電學(xué)轉(zhuǎn)接板

圖8 電壓（電流）傳感器

電壓電流傳感器可以完成絕大多數(shù)高中電學(xué)實驗，比如電源電動勢和內(nèi)阻測量實驗、電容器充放電實驗、利用恒流源研究電容器實驗、電磁感應(yīng)實驗、LC振蕩電路實驗等。

超聲波位移傳感器

配合創(chuàng)客常用的超聲波測距模塊，就可組裝成一臺超聲波位移傳感器（圖9、圖10）。

圖9 位移傳感器結(jié)構(gòu)

圖10 位移傳感器

光電傳感器

配合自制的雙光頭光電門，就可以完成很多運動學(xué)的實驗（圖11、圖12）。

圖11 光電傳感器結(jié)構(gòu)

圖12 光電傳感器

基于DIS實驗主板制作的實驗教具越來越多地應(yīng)用于真實的課堂中，如何利用DIS主板開發(fā)物理創(chuàng)新實驗也可成為一門融合信息技術(shù)與物理實驗的選修課程。這種新的DIS實驗方式，最終會帶來教學(xué)工具的改革，其便宜的價格，使偏遠山區(qū)的孩子也有機會接觸到最新的實驗教具。

該項目獲得第 38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎

來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安