用S2A探究植物對環(huán)境溫度的影響

夏侯洪濤

編者按：從本期開始，欄目將會邀請更多的老師陸續(xù)添加一些生物、物理、化學(xué)學(xué)科的信息技術(shù)實驗，通過傳感器的制作和應(yīng)用講解探究的過程。希望大家能通過這些案例，初步了解開源技術(shù)在科學(xué)實驗中的應(yīng)用方法。

● 實驗簡介

探究植物對環(huán)境溫度的影響是一個比較經(jīng)典的實驗，其目的是驗證生物在其生長過程中會不會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響。生活經(jīng)驗告訴我們，任何生物都必須有一定的生活環(huán)境，環(huán)境中的非生物因素（陽光、溫度、空氣、水……）和生物因素（生物之間的相互關(guān)系）都會對該生物產(chǎn)生很大的影響，這種影響是顯性的，是我們很容易觀察和理解的，但生物對環(huán)境的影響則是隱性的，是我們?nèi)菀缀雎缘?，這個實驗就是為了驗證生物對環(huán)境是否有影響而設(shè)計的。

● 實驗?zāi)康?/p>

通過測量同一時間段內(nèi)裸地、草地、灌叢中的溫度值，并對數(shù)據(jù)進行比較，來驗證綠色植物能否對空氣的溫度產(chǎn)生影響。

● 設(shè)計思想

1.硬件

在Arduino板上添加溫度傳感器，通過溫度傳感器獲取空氣的溫度值，并通過藍牙模塊將溫度數(shù)值傳輸至計算機。

2.軟件

使用Scratch編程控制Arduino的運行，并且在Scratch編程中利用等待指令控制數(shù)據(jù)采集的時間間隔，利用鏈表功能存儲一定時間內(nèi)采集的數(shù)值，最后將數(shù)值輸出到電子表格進行數(shù)據(jù)分析，從而最終得出實驗的結(jié)論。

3.測量方式

將實驗裝置分別放置于裸地、草地、灌叢等合適位置，同時啟動程序進行數(shù)據(jù)采集，從早上9點到下午4點，每間隔10分鐘采集一次數(shù)據(jù)。（如果時間不允許也可以采用早中晚分別采集1小時，間隔時間為5分鐘）

● 實驗器材

基于以上的思考，我們需要的實驗器材有：Arduinouno X3、Arduino Sensor Shield V5.0傳感器擴展板X3、LM35溫度傳感器X3、傳感器連接線、藍牙模塊、電池盒。

需要特別說明的是，在本實驗中我們采用了LM35溫度傳感器（如圖1）。LM35是由國半公司所生產(chǎn)的溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度。LM35溫度傳感器模塊可以通過一根3P傳感器連接線直接插到Arduino Sensor Shield V5.0傳感器擴展板上。

圖1

藍牙模塊可以使我們脫離USB線的束縛（如圖2），在本實驗方案中，Arduino作為下位機，主要起到采集數(shù)據(jù)的功能，要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行存儲和處理，傳統(tǒng)的方法是通過USB電纜，但在S2A環(huán)境中，我們可以通過藍牙模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，其有效傳輸距離為10米，大大增加了采集的靈活性。

圖2

● 實驗步驟

1.組裝并調(diào)試實驗設(shè)備

（1）器材組裝

首先將擴展板和Arduino板插接起來，然后用一條3P的連接線將LM35溫度傳感器連接到擴展板的模擬接口A0，連接好后，將電池盒的插頭插入Arduino的電源接口，當(dāng)Arduino板上的指示燈亮起來時就說明我們已經(jīng)完成了硬件的連接工作，圖3是連接好的設(shè)備。

圖3

當(dāng)然，為了提高測量的精確度，我們可以用紙盒做一個簡易的百葉箱，以避免太陽和風(fēng)的影響。

（2）設(shè)備連接

接下來，我們要做的就是通過計算機中的藍牙適配器和Arduino的藍牙模塊將Arduino和計算機連接起來，從而實現(xiàn)在計算機上編程控制Arduino的工作，其過程如下：①鼠標(biāo)右鍵點擊計算機藍牙適配器圖表，在彈出的菜單上選擇“添加設(shè)備”。②在彈出的對話框中選擇HC-06，稍微等待一會，計算機會提示設(shè)備安裝成功。③重復(fù)步驟1，選擇“顯示Bluetooth設(shè)備”，在打開的窗口中就會有HC-06的圖標(biāo)，在圖標(biāo)上點擊右鍵，選擇屬性，在屬性窗口中點擊“硬件”選項卡，查看藍牙模塊使用的串口號。

然后，我們需要在S2A環(huán)境中設(shè)置通訊的端口，其過程為：①在程序中找到“啟動s2a”，單擊鼠標(biāo)右鍵，在菜單中單擊“編輯”。②計算機會使用記事本打開s2a，將文本中最后一行的串口號修改為我們自己設(shè)備所使用的串口號，保存退出（如圖4）。

圖4

設(shè)置完成后，我們就可以運行S2A程序，當(dāng)出現(xiàn)如圖5的界面時，說明我們已經(jīng)順利通過藍牙方式將Arduino和計算機連接起來了。

圖5

（3）編寫程序

接下來，我們將打開Scratch程序，開始編寫程序。

因為溫度傳感器是接在模擬引腳A0上的，所以，我們將通過這樣的

指令將端口A0設(shè)置為輸入，以便于確保程序能從A0端口獲取數(shù)值。

而后新建一個變量temp，這里要說明的是，我們用LM35溫度傳感器測量環(huán)境溫度時，直接讀取的數(shù)值并不是溫度的值，而是此時LM35輸出的電壓值，這個值要經(jīng)過運算才能獲取溫度值，所以我們會在這里設(shè)置一個變量，用于存儲計算后得到的溫度值。

接著新建一個鏈表“溫度記錄”，用于存儲一定時間內(nèi)獲取的溫度的值。

在程序開始時，需將變量和鏈表都清空，所以我們在程序中需添加這樣兩條指令（如圖6）。

圖6

因為每隔1小時要測量1次，因此我們還需要設(shè)置一個等待時間，要說明的是這個等待時間需根據(jù)實驗方案靈活設(shè)置，如我們要每隔10分鐘測1次，這里就設(shè)置為600秒。

最終我們的程序是這樣的，其中一系列的運算是為了我們最后的溫度是一位小數(shù)做的鋪墊（如圖7）。

圖7

程序?qū)懲旰螅覀兛梢詫㈤g隔時間改短一些，測試實驗設(shè)備是否能正常運行，如果一切正常我們就可以進行下一步的實驗。

2.選擇天氣和位置

選擇合適的天氣，將3套實驗裝置分別放置到裸地、草地、灌叢的合適位置。

3.采集數(shù)據(jù)

同時啟動程序，進行數(shù)據(jù)采集，從早上8點開始，到下午5點為止，每隔1小時采集1次數(shù)據(jù)。

4.導(dǎo)出數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析

需要特別說明的是，由于季節(jié)原因，本文所用的數(shù)據(jù)為2014年9月11日采集的數(shù)據(jù)。

我們將裸地、草地、灌叢三個鏈表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電子表格中，如圖8所示。

然后我們將三地一天的氣溫值生成折線圖進行比較（如圖9）。

5.根據(jù)數(shù)據(jù)分析，得出實驗結(jié)論

①三地氣溫均為早晚低中午高。②同一時間氣溫最低的是灌叢，其次是草地，最高的是裸地。③植物的蒸騰作用受到陽光強度的影響，植物通過蒸騰作用可以降低局部環(huán)境的溫度。④植物能夠?qū)λL的環(huán)境造成一定的影響。

根據(jù)分析的結(jié)果，我們還需要填寫實驗報告。

● 實驗拓展

在本實驗中，我們通過LM35溫度傳感器測量環(huán)境中的溫度，LM35溫度傳感器是一種常用的模擬量的傳感器，與之類似的模擬量傳感器還有光敏傳感器、土壤濕度傳感器、降雨傳感器、氣體傳感器（如酒精傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器）等，這類傳感器的特點是發(fā)出的是連續(xù)信號，用電壓、電流、電阻值等表示被測參數(shù)的大小。傳感器測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)公式的計算就可以得到我們需要的測量值，他們在使用方式上也基本相同，在實際使用中，大家可以參考LM35溫度傳感器的使用方法。

我們常用的傳感器除了模擬量的傳感器外，數(shù)字量傳感器（也叫開關(guān)量傳感器）也經(jīng)常用到，如測空氣溫濕度的DHT11傳感器、碰撞傳感器等，它們在使用的方法上和模擬量就有很多區(qū)別，我們將在今后的文章中與大家分享。