科技教育創新成果一等獎：自制DIS實驗主板

作者

翁浩峰/浙江省寧波中學

DIS實驗系統簡介

DIS（Digital Information System）即數字化信息系統，是由“傳感器+數據采集器+計算機軟件”構成的實驗系統。在物理學中絕大多數的物理量，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，價格較為昂貴。

DIS實驗系統主要由傳感器、數據采集器，以及計算機或手機端軟件組成。早期的DIS實驗系統中，傳感器和數據采集器間、數據采集器與計算機間都是有線連接，現在也有將傳感器與數據采集器合二為一，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實驗系統簡介

物聯網的不斷發展，涌現了一批便宜好用的物聯網硬件和傳感器，加之近幾年創客教育的普及，讓物聯網硬件和傳感器的使用越發簡單，原來遙不可及的自制DIS實驗有了實現的可能。

基于ESP32和phyphox的自制DIS實驗系統

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

ESP32是一款集成了Wi-Fi、藍牙功能的微控制器，性能優異、價格低廉，在線資源非常豐富，不僅可以用專業的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用程序，除了可以采集手機自帶傳感器的數據外，還可通過藍牙接收來自外接傳感器的數據，不僅可以對采集到的數據進行顯示并繪制成圖像，還能對數據進行簡單處理，或者通過即時通訊軟件將數據以excel表格的形式發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，啟用服務器功能，同一個局域網內的計算機就可通過網頁打開phyphox上的實驗界面。還可以直接編寫支持Web Bluetooth API的html網頁，可以在本地直接用瀏覽器打開，或者將其放到網站上用瀏覽器遠程訪問，即可在網頁上顯示數據和繪圖，還能實現更多的功能，比如數據驅動下的動畫等。筆者開發了一個網頁版的DIS實驗系統，可以通過瀏覽器訪問https://www.makemaker.net進行測試。這種網頁版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。

實驗系統硬件制作上的困境與突破

自制DIS實驗系統中的ESP32一般使用開發版。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：復雜的連線足以勸退大多數對自制DIS感興趣的教師；連線經常出現接觸不良等問題，且很難在短時間內排除故障，在課堂上使用風險極高；這樣的DIS實驗只適用于實驗開發階段，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，多數是先將物理量轉換為電學量，再通過對電學量的測量實現。雖然ESP32上自帶了一個12位的ADC（模擬數字轉換器），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實驗主板經歷了長達3年的開發與制作。整塊主板的設計主要包括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開發板的一半。

ADS1120高速ADC芯片

ADS1120是一種精密的16位模數轉換器（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，可以被設計成恒流源，能產生很多實驗創意。ADS1120與ESP32間采用SPI通訊，硬件部分的連接已經設計在主板上。

基準電壓源

主板上還設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，需設計單獨的串口電路，使用了CH340K串口芯片，并用2個三極管設計了自動上傳電路。與電腦連接的接口選擇了當前流行的TypeC接口，不過由于主板未設計充電電路，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實驗也能出現在日常的課堂演示實驗甚至學生實驗中。基于這塊DIS主板，可以開發設計各種各樣的自制DIS實驗。

力傳感器

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

圖3 力傳感器結構

圖4（左） 壓力傳感器

圖5（右） 拉力傳感器

基于無線力傳感器，可以開發出一系列力學實驗，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量程切換，在電壓傳感器基礎上，給輸出端并聯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，專門設計了一塊轉接板(圖7)，通過轉接板上的撥碼開關，實現采樣電阻的并聯等操作。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）傳感器結構

圖7 電學轉接板

圖8 電壓（電流）傳感器

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

超聲波位移傳感器

配合創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 位移傳感器結構

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的實驗（圖11、圖12）。

圖11 光電傳感器結構

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用于真實的課堂中，如何利用DIS主板開發物理創新實驗也可成為一門融合信息技術與物理實驗的選修課程。這種新的DIS實驗方式，最終會帶來教學工具的改革，其便宜的價格，使偏遠山區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新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎

來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安