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1、Ledong Scratch互动教学平台的应用与研究六开关的硬件逻辑与属性吴俊杰1 梁森山2 项华31.北京景山学校 1000062.教育部教学仪器研究所；3北京师范大学摘要：Leong Scratch互动教学平台，强调学生对互动装置的二次开发，关于开关的开发就是一项充满创造力和趣味的活动。当多个开关存在串、并联关系的时候就需要分析开关的硬件逻辑，硬件逻辑是Scratch语言软件逻辑的重要补充；此外，根据各种传感器或者互动装置的不同需求，需要购置或制作各种性能的开关，本文介绍了几种用途广泛的开关，并且重点介绍了开关的可维持性、默认值、响应时间、响应电阻四个属性，并制作了一个光控开关研究了单摆的
2、运动周期。关键词：Ledong Scratch，Scratch，开关逻辑，光控开关开关量是控制的根底也是程序逻辑的根底，前文介绍了软件逻辑，Leong Scratch互动教学平台的开发还应该注意开关的硬件逻辑，本文从原理的层面介绍了开关硬件逻辑的应用。一、开关的硬件逻辑前文介绍过的“启动装置要求端口A、B、C处的开关都处于闭合状态时，才开始启动仪式，这里用到了Scratch语言中软件逻辑中的与逻辑图1 使用ABC三个端口软件逻辑制作的启动装置但是这个装置的缺点是只支持三个人按下开关，如果人数过多就无从下手了，另外三个端口全部被占用，难以再开发新的功能。事实上图1所示的软件逻辑可以通过开关间的硬
3、件逻辑代替。在Scratch语言中，存在与、或、非三种逻辑，开关之间在硬件上也存在着与、或、非三种逻辑，其中非逻辑对应这一个开关的断开或闭合，与和或分别对应着两个开关的串联或并联，电路图见下表。表1 开关逻辑与软件逻辑对照表逻辑名称开关逻辑语言描述软件逻辑与逻辑S1、S2串联，当S1、S2都闭合时连通电路或逻辑S1、S2并联，当S1、S2任意一个闭合时连通电路可以看出将多个碰撞开关首尾顺次连接串联起来，连接在A端口上，这些开关就必须都按下后才能接通A端口，这样就突破了开关数目的限制，还节约了B端口和C端口。再比方要制作一个报警器，可以延长在A端口、B端口、C端口各接一个碰撞开关，通过延长线延长
4、到保险箱的周围，一担有人触碰这些开关中的任意一个，报警器就报警。报警器的端口A、B、C分别接的三个碰撞开关之间的软件逻辑连接方式与三个开关并联相当，即可以将多个开关并联后接在端口A上，这样做一方面突破了3个开关的限制，另一方面余下的B、C端口还可以做其他用途。如果报警器还需要一个总开关，防止误报，那就需要将并联的假设干个开关看成一个开关与总开关串联。接端口A总开关碰撞开关图2 应用硬件逻辑设计的报警器总开关和碰撞开关二、开关的属性开关的状态只有两个，断开和闭合，但根据开关的默认状态和开关状态之间切换方式的不同，又可以将开关分为好多种，这些分类标准称为开关的属性。2.1 可维持性可维持性是指改变
5、开关状态的动作是否需要一直维持。触控开关不可维持的，需要一直按下才能保持开关的控制状态的，如鼠标左键，不按时是断开的，按下后闭合，一担控制解除手抬起，开关自动断开。实验室常见的单刀单掷开关和拨位开关是可维持的，翻开或闭合后，都能自动地维持状态，家中的照明灯开关也是可维持的。2.2 默认值不控制时是断开状态还是闭合状态。触控开关分为常开/常闭两种，比方前面介绍过的纸盆开关就是一种常开开关。对于拨位开关，无论是断开还是闭合都可以自动地维持现状，它的默认值应由使用需要决定，比方照明灯开关从环保的角度看其默认值就应当断开的。下面从可维持性和默认值的角度比拟几种市面上可以购置到的开关或者开关量传感器，以
6、及他们的简单用法。表2 常见的开关及开关传感器的用法开关名称简介使用方法按钮开关 拨动开关可维持，默认值视使用环境而定。适合作为总控开关。配合“如果就重复执行结构使用。两个接线柱直接连接，左图中的开关按下闭合，再次按下弹起断开。右图外表印有“的一侧按下闭合，印有“O的一侧按下断开按键传感器不可维持，默认值为断开。配合“直到都等待着结构使用两个触点直接连接，鼠标左键内部就是一个按键传感器。水银开关不可维持，默认值与安装方式有关。竖直安装用于判断物体是否倾倒，水平安装课判断是否摇晃。玻璃管的一端有两个接线柱。水银球受重力作用会一直在下方，接线柱向上安装时，默认值为断开；接线柱向下安装时，默认值为闭
7、合。水平安装时可做震动传感器使用。Sw-200D振动开关不可维持，默认值与安装方式有关。与水银开关使用方式类似，且更环保。两端接线柱，水平安装或倾角不大的倾斜安装，可用于振动检测。SW-18010振动开关不可维持，默认值为断开，任意方向的振动会造成开关短暂的接通，然后断开，用于振动的检测。两个接线柱在一侧，其中一个接线柱很细，连接后要注意用胶布粘好防止扯断。干簧管可维持，默认值为断开。干簧管要与磁铁配合，当磁铁吸住或靠近它，干簧管闭合。干簧管可以作为计数器使用，用途很广。接线柱在两侧，磁铁距离其中央很近时，开关闭合。因此只要磁铁始终靠近干簧管，闭合状态就可以维持。干簧干为玻璃制品，应防止碰撞。
8、2.3 响应时间响应时间是指系统能够侦测到的最短闭合、断开再闭合的时间，即两次状态切换的最短时间。图3的程序是检验Ledong Scratch互动教学系统B端口的响应时间，设计了图3所示的程序。在端口B上接一个碰撞开关，用两个链表分别存储B已连接或B未连接的时间。图3 研究Ledong Scratch端口B的响应时间的程序将两个链表的数据导出到txt文件后放在excel的同一列中，为了区分将B已连接的数据标记为红色，然后按照从小到大排序，得到图4所示的时间序列图， 图4 计算B端口的响应时间对图4中的交接处得数据做求差比拟，得出传感器从连接状态切的时间间隔见表3表3 切换状态和维持状态下的循环
9、时间的差异数据编号从断开到闭合的切换时间/s从闭合到断开的时间/s响应时间/s在闭合状态下的侦测时间/s在断开状态下的侦测时间/s10.0230.0160.0390.0270.03920.0290.0370.0660.0220.02130.0210.0220.0430.0290.03140.030.0280.0580.0110.02350.0230.0230.0460.0280.03160.0230.0280.0510.0280.02670.0250.0230.0480.010.02980.0280.0220.050.0240.02890.0250.0220.0470.0290.01100.0
10、510.0310.0820.0230.023110.0290.0280.0570.0260.029120.0520.0680.120.0220.028130.0080.0310.0390.0090.03140.0290.0070.0360.0280.008150.0210.020.0410.0220.023160.0230.0280.0510.0210.028170.020.0870.1070.0240.055180.0290.0090.0380.0220.009190.020.0310.0510.0210.028200.0410.0590.10.0280.021210.030.0510.08
11、10.0270.029220.0410.0650.1060.0230.009230.0310.0270.0580.0250.023平均值/s0.0283 0.0332 0.0615 0.0230 0.0253 标准差/s0.0100 0.0198 0.0251 0.0058 0.0103 对于切换状态和维持状态进行T检验，显著水平0.013，差异显著，两者平均值的差0.0066秒是由状态切换引起。从闭合到断开和从断开到闭合两种情况下切换状态不存在显著差异。开关状态断开时或开关闭合时反响时间不存在显著差异。因此ledong的A端口的反响时间为0.03080.0157秒，开关响应一次的时间从断开到
12、闭合的从闭合到断开的时间为0.06150.0251，因此连续按下的响应频率为16.24Hz。用同样的程序检测“按钮的反响时间，实验发现按钮的切换状态下的时间为0.02380.0055秒，经过T检验，发现与表3中维持状态下的反响时间不存在显著差异，与表3中切换状态下反响时间存在显著差异，显著水平0.018。这说明按钮传感器比端口A、端口B、端口C的反响时间短，更适合进行对于反响时间要求高的实验。按钮传感器从闭合到断开再到闭合的最短时间为0.04760.0064秒，按键连续按下的响应频率为21.02.5Hz。2.4 响应电阻响应电阻是对于数字电路接入电阻多大时相当于开关断路，下面测定按钮的响应电阻
13、。在Scratch语言中侦测菜单中，勾选，然后在主屏幕中就会显示出按钮状态监视器。在按钮两端并联一个电阻箱，由于按钮的默认值为断开，故电阻箱的电阻相当于按钮的接入电阻。改变电阻箱的阻值，发现接入电阻从5000欧降低为4900欧时，按钮状态监视器连接，说明按钮的响应电阻为4400欧。下面是响应电阻的一个应用，选定一个10千欧的光敏电阻，并联在按钮两端，光敏电阻暗光电阻为10千欧，大于4400欧，此时相当于按钮未按下。当激光照向光敏电阻后，光敏电阻阻值会迅速减少为几百欧，此时相当于按钮按下。按照图3所示的程序测得光控开关的响应时间为0.05180.0086秒，按钮开关的反响时间无显著差异。如图5所
14、示，用激光器和光敏电阻制成了一个光电门，可以用这个光电门测定单摆的运动周期。图5 用激光器和光敏电阻制作的光电门摆球使用9V电池，宽度为2.2mm，摆长为0.482m。单摆的振幅不宜过大，实验中振幅为2cm，摆角为2.3度。记录光电门变化的Scratch程序见图6，摆球从左侧释放，释放前激光器未被挡住，光敏开关闭合，程序处于等待状态，直到摆锤从左侧向右挡住光电门时，光敏开关断开，程序继续执行，将断开作为切换后的状态和此时的时刻记录在两个链表中。当摆锤从最低点滑过后，激光再次照射到光敏电阻的瞬间，程序将闭合作为切换后的状态和此时的时刻记录在链表中。图6 光电门的Scratch程序摆球在摆动的过程中有如下4个状态切换的瞬间如表4表4 状态切换的时刻状态切换编号1234状态切换图解文字描述摆锤从左侧向右挡住激光，开关由闭合切换为断开摆锤从左到右从最低点摆过，开关由断开转换为闭合，此后摆球摆到右侧最高点后向左摆动摆锤，向左摆动挡住激光，开关由闭合转为断开摆锤从右向左从最低点摆过，开关由断开转为闭合，此后摆球摆到左侧最高点后向右摆动直到状态切换1状态切换的时刻的时间差即为维持某个状态的时间，4个维持状态的时间之和就是单摆的周期，数据
