圖1
#專案起源#
大家好，我是旺仔爸爸，有一天夜裡伏案疾書，看到桌上誘惑了多日的核桃，就想把它收入腹中，可是沒有夾核桃的工具，用錘子砸的話聲音太大難免影響他人，突發奇想用臺虎鉗試一下吧，沒想到秒開，真是太爽了，開啟核桃的方式其實多種多樣，屢見不鮮，但開啟一個核桃到底需要多大的力量呢？這是我想要一探究竟的，於是就有了今天這樣一個作品——開啟堅果並測量力量的工具，這次以科學探究實驗的形式呈現出來，面向物件為中小學生
圖2自制開啟堅果並測力的工具
先透過下面的影片來了解一下本次的裝置是如何開啟各種堅果的
#影片展示#
#方案介紹#
要測量開啟一個核桃的力量，可以有多種方法，比如目測觀察法，感測器檢測法
為了讓資料精確量化，從小培養同學們嚴謹的科學態度，我們選擇感測器測量具體數值的方法
問題的關鍵是要選擇一個什麼樣的測量感測器
旺仔爸爸比較了兩款感測器，分別是電阻式壓力感測器和重量感測器，如圖3為電阻式壓力感測器
圖3電阻式壓力感測器
其中電阻式壓力感測器的工作原理為當感應區受壓時，在底層彼此斷開的線路會透過頂層的壓敏層導通，埠的電阻輸出值隨著壓力變化，壓力越大電阻越小。即在不同壓力情況下，感測器電阻值不一樣，當受到壓力值過大和過小時，電阻值的斜率也會過大或者過小，該感測器較適合定性測量。定量測量時可能會出現資料誤差太大的問題。
於是我們嘗試了第二款重量感測器，如圖4
重量感測器能夠感知自身所受重量變化，並把重量轉化為電訊號。重量感測器的轉接模組會利用內建的程式解讀電壓變化，輸出控制器可以理解的模擬或者數字訊號。
圖4重量感測器
既然重量感測器可以準確稱重，我想去量化開啟一個核桃的力量資料應該也是準確的，於是打算測試一下
測量感測器我們確定為重量感測器，量程為5KG
接著，我們需要確定控制器
此次專案作為科學探究實驗，自然要適合學生易上手好操作，掌控板自帶螢幕和聯網功能，非常適合中小學生使用，我們選擇掌控板作為控制器，如圖5
圖5 掌控板
控制器和感測器確定後，我們參考臺虎鉗來設計開啟核桃的機械結構，臺虎鉗如圖6
圖6臺虎鉗
我們採用了絲桿、法蘭、T型絲桿轉換塊以及手輪來模擬臺鉗樣子的機械結構，機械結構零件如圖7所示
圖7機械結構零件
電子部件和機械部件方案確定後，我們開始展開製作
#實驗教具設計#
首先我們來看一下都用到了哪些器材
#器材清單#
掌控板*1
掌控板擴充套件板*1
重量感測器及轉接模組*1
T8絲桿*1（30cm）
直徑8mm光軸*1（20cm）
T8絲桿法蘭*1
T8絲桿四方轉接座*1
直徑63mm的手輪*1
菱形帶座軸承*2
圓形法蘭聯軸器*2
直線運動軸承*1
五金件、導線若干
圖8器材清單實物圖
圖9機械結構實物圖
接著我們來設計外觀結構的圖紙
#結構設計#
我們使用LaserMaker繪圖軟體設計圖紙，為了保證裝置的強度，材料選擇6mm的奧松板，本次夾核桃的裝置，我們將所有部件放置在一塊6mm厚的奧松板上，圖紙設計需要確定掌控板固定孔位的尺寸以及固定光軸和絲桿的軸承、底座尺寸，將掌控板固定在一個雲朵造型的木板上，光軸使用圓形軸承固定在豎板上，最後是重量感測器的固定，我們參照如圖10所示的方式設計結構，只不過我們需要將這樣的結構豎起來安裝
圖10重量感測器安裝示例
圖紙設計完成，如下圖11所示
圖11本次作品結構設計圖
使用鐳射切割機加工完成後的實物圖如下圖12所示
圖12切割完成後的零件實物圖
#電路設計#
本次夾核桃的裝置，接線圖非常的簡單，我們只需要將重量感測器的DOUT、SCK引腳與掌控板的P0、P1引腳連線即可，接線示意圖如下圖13所示
圖13夾核桃裝置接線示意圖
#組裝#
第一步，組裝控制器，所需零件如下圖14
圖14組裝控制器所需零件
使用3顆直徑3mm長度15mm的螺絲將掌控板固定在雲朵造型的木板上，如圖15
圖15固定掌控板
之後，將兩個支架安裝在雲朵造型木板的背面，如圖16
圖16安裝兩個支架
接著將雲朵的造型安裝在底板上如圖17
圖17將雲朵造型安裝在底板上
圖18雲朵造型安裝完成背面圖
第二步，安裝重量感測器，所需零件如下圖19
圖19安裝重量感測器所需零件
將四塊小墊片按下圖20所示方式與重量感測器組裝，使用直徑4mm長度30mm的螺絲固定
圖20重量感測器組裝
圖21重量感測器組裝
第三步，接著在兩塊豎板中安裝零件，所需零件如下圖22
圖22安裝豎板需要的零件
使用直徑4mm的螺絲將菱形帶坐軸承和法蘭聯軸器固定在豎板上，如下圖23所示，其中右側的豎板是用來安裝重量感測器的
圖23零件安裝在豎板上
第四步，將重量感測器安裝在圖23中右側的豎板上，安裝完成如圖24
圖24重量感測器安裝在豎板中
之後將兩塊豎板安裝在底板上，如下圖25所示
圖25豎板安裝在底板上
圖26豎板安裝在底板上的背面圖
第五步，安裝T8絲桿法蘭、直線運動軸承和四方轉接座，所需零件如下圖27所示
圖27安裝絲桿法蘭、運動軸承及轉接座所需零件
直線運動軸承使用直徑3mm長度50mm的螺絲固定，四方轉接座使用直徑4mm長度40mm的螺絲固定，固定完成如圖28
圖28使用螺絲組裝零件
第六步，安裝絲桿、光軸、手輪以及第五步安裝完成的模組，如圖29
圖29準備安裝絲桿、光軸及手輪
圖30絲桿、光軸、手輪安裝完成
圖31效果圖
圖32
最後，將四塊三角形的豎板安裝固定起來如圖33，緊接著連線電路組裝就完成了
圖33安裝三角形的豎板進一步加固結構
圖34三角形豎板安裝完成
圖35 正面圖
圖36 背面圖
圖37 背面圖
#程式設計#
本次作品我們使用Mixly圖形化程式設計環境來編寫程式，Mixly程式設計軟體可以在Mixly。org官網下載
軟體下載完成後，開啟Mixly軟體，右下方選擇Arduino HandBit主控板
接著在感測器模組中選擇HX711稱重感測器如圖38，設定引腳為P0和P1
圖38選擇Hx711稱重感測器
然後我們編寫如下圖39所示程式測量稱重感測器的資料
圖39測量稱重感測器資料
程式下載後，點選Mixly軟體右下方的串列埠監視器，用手按壓稱重感測器檢視測試結果，結果如圖40
圖40串列埠監視器列印稱重感測器資料
當上述程式成功執行，意味著稱重感測器已經可以為我們所用了
接著，我們還可以使用板載顯示模組修改程式，將稱重感測器測量的資料顯示在螢幕中，顯示程式塊如圖41
圖41顯示程式塊
將稱重感測器檢測到的資料顯示在掌控板的螢幕中的程式如圖42，這裡我們使用一個小數型別的變數“POWER”用來存放讀取到的重量資料
圖42稱重感測器資料顯示在掌控板螢幕中程式
程式下載後，顯示效果如圖43
圖43稱重感測器資料在螢幕中顯示
為了提高程式的執行效率，我們還可以增加一個簡單定時器模組，每隔3秒測量一次資料，修改後的程式如下圖44
圖44使用簡單定時器每隔3秒測量一次資料
到目前為止，我們已經實現了實時檢測重量資料了，但只是實時檢測並不能滿足需求，如果能及時將測量的資料儲存下來會更加方便開展科學探究實驗。
於是我們還可以增加一個數組將檢測的資料儲存在陣列中，設定陣列的方式如圖45
其中陣列的專案數可以按下面的方式自由增加
圖45增加陣列程式塊
之後我們在原來的程式基礎上進行修改，將測量到的重量資料加入的陣列中，程式如圖46，其中整數型變數“count”用來作為陣列的專案序號
圖46將測量到的資料儲存在陣列中
透過執行程式，我們會發現，即便是每隔3秒測量一次資料，但很快陣列存放的資料就滿了，有的朋友可能會想到，我們可以增加陣列的專案數，沒錯，這種方法是可以的，除此之外還有沒有其他辦法呢
其實我們可以在程式中設定當在掌控闆闆載的A鍵被按下時開始測量資料，當A鍵再次按下時停止測量資料，這樣測量資料就是可控的，而不是掌控板一上電就開始測量
於是我們在程式中使用一個整數型別的變數“flag”作為判斷依據，A鍵每按下一次變數“flag”的數值加1，透過判斷變數“flag”的奇偶性來決定是否開始測量資料，修改後的程式如圖47
圖47設定單擊開始或結束測量資料的程式
為了顯示的效果更加明顯我們還可以加入一個顯示狀態的字串變數“status”，修改後的程式如圖48
圖48在程式中增加狀態顯示
程式執行後的結果如圖49
圖49增加狀態變數程式執行後的顯示結果
其實，我們不僅可以把資料儲存在陣列中，我們還可以將資料傳送到串列埠監視器直觀的顯示出來
同樣的，我們設定當掌控闆闆載的B鍵被按下時將測量到的資料傳送到串列埠監視器顯示出來，程式如圖50
圖50掌控板B鍵按下將資料傳送到串列埠監視器並顯示
開啟串列埠監視器的繪圖模式，當按下B鍵時即可看到如下圖51的效果
其中最大值、最小值可以根據實際情況設定
圖51串列埠監視器顯示測量資料並繪製圖表
除此之外，如果我們要實現多次測量，還可以加入資料清空功能
設定掌控闆闆載的觸控P鍵被觸控時清空資料，程式如圖52
圖52增加清空資料的程式
有的夥伴會問，只是把資料傳送到串列埠監視只能測量一種物體的壓力，要測量不同物體的資料，並實現資料儲存該怎麼辦呢？
其實，我們還可修改程式，將資料儲存到SIoT物聯網平臺，這樣就可以測量多種物體的實驗資料，並將測試資料永久儲存下來，程式修改如下圖53
圖53將測量資料傳送至SIoT物聯網平臺
執行程式，接著在電腦瀏覽器輸入網址：39。98。114。122：8082即可看到如圖54所示介面，然後按照提示輸入賬戶資訊，登入SToT物聯網平臺
圖54
登入成功，我們點選裝置列表，輸入專案ID檢視資料，資料如圖54
圖55在SIoT物聯網平臺接收到的資料
知識點
什麼是SIoT？
SIoT為“虛穀物聯”專案的核心軟體，是為了幫助中小學生理解物聯網原理，並且能夠基於物聯網技術開發各種創意應用而開發設計跨平臺、開源MQTT伺服器程式。S指科學（Science）、簡單（Simple）的意思。SIoT重點關注物聯網資料的收集和匯出，是採集科學資料的最好選擇之一
#實驗活動#
實驗一
：
測量開啟核桃殼需要的力量
實驗方法：
將核桃放入測量裝置中
轉動手輪加緊核桃
按下掌控板A鍵開始記錄資料
持續轉動手輪直到核桃殼破碎
按下掌控板B鍵將資料傳送至串列埠監視器及SIoT平臺
檢視並記錄資料
實驗過程：
按照制定的實驗方法，將核桃放入實驗裝置測試，如圖56
圖56測量開啟核桃殼的力量
將實驗資料記錄在圖表中，如圖57和圖58
圖57測量開啟核桃殼力量的資料統計表
圖58測量開啟核桃殼力量的資料折線圖
實驗結果分析：
透過對測量統計的資料進行分析、比較，我們可以看出開啟核桃的力量成線性變化，在開啟之前成上升趨勢，開啟後線性下降，最值是1333。96
實驗二：
測量開啟花生殼需要的力量
實驗方法：
將花生放入測量裝置中
轉動手輪加緊花生
按下掌控板A鍵開始記錄資料
持續轉動手輪直到花生殼破碎
按下掌控板B鍵將資料傳送至串列埠監視器及SIoT平臺
檢視並記錄資料
實驗過程：
按照制定的實驗方法，將花生放入實驗裝置測試，如圖59
圖59測量開啟花生殼的力量
將實驗資料記錄在圖表中，如圖60和圖61
圖60測量開啟花生殼力量的資料統計表
圖61測量開啟核花生殼力量的資料折線圖
實驗結果分析：
透過對測量到的資料進行分析、比較，我們可以看出開啟花生的力量成線性變化，在開啟之前成上升趨勢，開啟後線性下降，最值是645。24
實驗三：
測量開啟巴旦木殼需要的力量
實驗方法：
將帶殼巴旦木放入測量裝置中
轉動手輪加緊巴旦木
按下掌控板A鍵開始記錄資料
持續轉動手輪直到巴旦木外殼破碎
按下掌控板B鍵將資料傳送至串列埠監視器及SIoT平臺
檢視並記錄資料
實驗過程：
按照制定的實驗方法，將巴旦木放入實驗裝置測試，如圖62
圖62測量開啟巴旦木殼的力量
將實驗資料記錄在圖表中，如圖63和圖64
圖63測量開啟巴旦木殼力量的資料統計表
圖64測量開啟巴旦木殼力量的資料折線圖
實驗結果分析：
透過對測量到的資料進行分析、比較，我們可以看出開啟巴旦木殼的力量成線性變化，在開啟之前成上升趨勢，開啟後線性下降，最值是845。58
透過比較開啟三種不同堅果殼的測量資料發現，核桃殼最硬，需要的力量也最大，開啟花生殼需要的力量最小，在實驗過程中還需要注意實驗步驟要規範，將人為操作不規範的影響因素降到最低，同時還要學會觀察總結實驗資料，選取有效資料進行分析，養成嚴謹的科學實驗態度
#總結與思考#
至此為止，我們本次的科學探究實驗就完成了，我們學會了Hx711重量感測器的使用方法，掌控板定時器、物聯網功能的程式設計方法
做完這三個實驗，我們確實把開啟堅果殼的力量進行了量化，但不免還是會思考，我們預期的目標達成了嗎？
重量感測器在水平狀態下秤得物體的重量單位為克（g），從牛頓力學我們知道質量為1Kg的物體所受的重力大概是9。8N（牛）
公式為G=mg，其中G為重力，m為質量（重量），g為重力加速度，g是一個常數9。8N/kg，也就是說如果我們透過重量感測器知道一個物體的重量，透過公式是可以計算出重力的
不同的是，我們這次將重量感測器橫向安裝，這樣測出來的數值單位是什麼呢？還是重量嗎？假設是重量，如何換算成力量呢，由於受力方向不同，顯然不能簡單的與重力加速度g相乘，那是不是可以將裝置豎向擺放，重新測量資料驗證結果呢？旺仔爸爸確實這樣做了，下面是豎向安裝的測試結果
圖65豎向測量開啟核桃殼的力量
圖66豎向測量開啟核桃殼的力量資料表
這樣的結果是我們想要的資料嗎？豎向測量的結果和橫向測量的結果有哪些不同呢？豎向測量時除了重力外會不會有其它力影響？除此之外還有沒有其他方法可以實現我們的預期目標呢？
做完實驗，旺仔爸爸陷入了思考，不知你是否也有這樣的疑問？
希望有興趣的夥伴一起探討、改進最佳化，造物讓生活更美好，我們下期再見
