Научные опыты с Arduino: запись данных, таблицы и графики

Чтобы провести научные опыты с Arduino, достаточно шести шагов: сначала ученики формулируют измеримый вопрос и гипотезу, потом подключают к Arduino подходящий датчик; плата записывает каждое показание с отметкой времени в последовательный порт в виде «zaman_ms,deger» (время в мс, значение), кривая в реальном времени видна в плоттере, строки из монитора порта копируются в электронную таблицу как CSV-файл, по таблице строится график, а вывод пишется на основе сравнения графика с гипотезой. В отличие от ручных измерений с термометром и секундомером, Arduino собирает 60 точек за 10 минут через равные промежутки, не устаёт и не ошибается при снятии показаний. Ученикам остаётся интерпретировать данные, а не переписывать цифры.

В этой статье три готовых опыта для уроков естествознания, физики и биологии: кривая остывания горячей воды с DS18B20, зависимость освещённости от расстояния с LDR и движение по наклонной плоскости с HC-SR04 (плюс измерение скорости звука). Для каждого опыта есть вопрос, переменные, материалы, краткая схема подключения, компилируемый код, шаблон таблицы данных и ожидаемый результат. Дальше идут шаги для плоттера и переноса данных в таблицу, таблица погрешностей и калибровки, план урока 2 × 40 минут, короткий шаблон лабораторного отчёта и правила безопасности. Примеры построены на таком допущении: допустим, в классе 24 ученика, они работают в 6 группах по 4 человека, и у каждой группы есть Arduino Uno и компьютер. В подробности подключения каждого датчика здесь не углубляемся: по ходу текста есть ссылки на отдельное руководство по каждому датчику.

Научный опыт с Arduino за 6 шагов: от вопроса к выводу

1. Вопрос и гипотеза: выбери измеримый вопрос («Горячая вода остывает быстрее в первые 5 минут или в следующие 5?») и попроси учеников записать гипотезу по шаблону «Если …, то …, потому что …». В гипотезе должно быть направление или число; «что-то изменится» не годится.
2. Переменные: пусть ученики занесут в таблицу независимую переменную (то, что меняем: время, расстояние, наклон), зависимую переменную (то, что измеряет датчик: температура, свет, положение) и контролируемые переменные (количество воды, тот же фонарик, та же доска). Когда опыт не удаётся, причина обычно в переменной, которую не удержали постоянной.
3. Датчик и код: подключи датчик и загрузи код. Код пишет каждую строку в виде «zaman_ms,deger»; первая строка — заголовок с названиями столбцов. Время плата отсчитывает собственным счётчиком millis(), так что секундомер не нужен.
4. Просмотр в реальном времени: перед записью посмотри в плоттере короткий пробный прогон. Если кривая неожиданно скачет (отошёл провод, упала тень, касание рукой), исправь это сразу; заметить после измерения уже поздно.
5. Данные и таблица: скопируй строки из монитора порта, сохрани их как файл .csv, импортируй в электронную таблицу и добавь перевод единиц (мс → с) и расчётные столбцы.
6. График и вывод: построй точечную диаграмму XY, подпиши обе оси названием и единицей, сравни график с гипотезой и запиши вывод одним предложением, опираясь на данные: «Наша гипотеза подтвердилась (или не подтвердилась), потому что …».

Список материалов и краткая схема подключения

Опыт 1: кривая остывания горячей воды (DS18B20)

Вопрос: остывает ли горячая вода каждую минуту на одну и ту же величину или остывание со временем замедляется? Пример гипотезы: «Пока разница температур воды и комнаты велика, вода остывает быстро, а по мере уменьшения разницы — медленнее». Независимая переменная — время, зависимая переменная — температура воды; контролируемые переменные — количество воды (200 мл), тип сосуда, его место на столе и температура в комнате. Группам можно дать и второй вопрос: есть ли разница между кружкой с крышкой и без неё или между стеклянным и бумажным стаканом? Тогда независимой переменной становится сосуд, две группы измеряют одновременно и сравнивают свои кривые. Подключение и установка библиотек описаны в руководстве по DS18B20. Если есть только DHT11, ни в коем случае не опускай его в воду: безопасный аналог опыта с DHT11 — минуту погреть датчик в ладони, положить на стол и измерять, как он остывает на воздухе (руководство по DHT11).

1// Deney 1: Sıcak suyun soğuma eğrisi / Experiment 1: cooling curve of hot water
2// Kütüphaneler: OneWire + DallasTemperature / Libraries: OneWire + DallasTemperature
3#include <OneWire.h>
4#include <DallasTemperature.h>
5
6const int ONE_WIRE_PIN = 2;                // DS18B20 veri (DQ) pini / data (DQ) pin
7const unsigned long INTERVAL_MS = 10000;   // 10 saniyede bir ölçüm / one reading every 10 s
8const bool PLOTTER_MODE = false;           // true: Serial Plotter için yalnız değer / value only for Serial Plotter
9
10OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN);
11DallasTemperature sensors(&oneWire);
12unsigned long startMs = 0;
13unsigned long lastMs = 0;
14
15void setup() {
16  Serial.begin(9600);
17  sensors.begin();
18  if (!PLOTTER_MODE) {
19    Serial.println("zaman_ms,sicaklik_C");  // CSV başlık satırı / CSV header line
20  }
21  startMs = millis();
22  lastMs = startMs - INTERVAL_MS;           // ilk ölçüm hemen / first reading right away
23}
24
25void loop() {
26  unsigned long now = millis();
27  if (now - lastMs < INTERVAL_MS) {
28    return;                                 // daha zamanı gelmedi / not time yet
29  }
30  lastMs += INTERVAL_MS;                    // kaymayan zamanlama / drift-free timing
31
32  sensors.requestTemperatures();            // ölçümü başlat (~750 ms) / start conversion (~750 ms)
33  float tempC = sensors.getTempCByIndex(0);
34  if (tempC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {     // sensör yanıt vermedi / sensor did not respond
35    return;
36  }
37
38  if (PLOTTER_MODE) {
39    Serial.print("sicaklik_C:");
40    Serial.println(tempC, 2);
41  } else {
42    Serial.print(now - startMs);            // deney başından beri ms / ms since start
43    Serial.print(",");
44    Serial.println(tempC, 2);
45  }
46}

Код выводит одну строку каждые 10 секунд, так что 20-минутный прогон даёт 120 строк. Время берётся из счётчика платы millis(), и поскольку к lastMs каждый раз прибавляется ровно 10 000, показания не «уплывают»; приём разобран в статье о millis() и delay(). Если в начале кода поставить PLOTTER_MODE в true, столбец времени исчезнет и плоттер будет рисовать только температуру. Шаблон выше — это сводная таблица для отчёта, а полные данные остаются в CSV-файле; в начале измерь тем же датчиком температуру воздуха в комнате и запиши её. Ожидаемый результат: кривая получается не прямой, а постепенно выполаживающейся: в первые минуты температура падает быстро, потом падение замедляется. Это закон охлаждения Ньютона: скорость остывания пропорциональна разности температур тела и окружающей среды. Те, кто посчитает последний столбец, увидят, что за равные промежутки времени разница уменьшается примерно в одно и то же число раз: допустим, за первые 8 минут разница уменьшилась вдвое, тогда за следующие 8 минут она снова уменьшится вдвое. Кружка с крышкой остывает медленнее, потому что меньше тепла уходит с испарением. На биологии тот же опыт с маленьким и большим сосудом выводит на обсуждение того, почему мелкие животные теряют тепло быстрее.

Опыт 2: освещённость и расстояние (LDR)

Вопрос: как уменьшается освещённость по мере удаления от источника света: если расстояние удвоить, свет станет слабее в два раза или в четыре? Пример гипотезы: «При удвоении расстояния освещённость уменьшается в четыре раза». Независимая переменная — расстояние от фонарика до LDR (10, 15, 20, 30, 40 и 50 см), зависимая переменная — значение, прочитанное с A0; контролируемые переменные — тот же фонарик, те же батарейки, фонарик направлен точно на LDR, внешнее освещение. Проводи опыт с закрытыми жалюзи и, если можно, с приглушённым светом в классе: при сильной внешней засветке вклад фонарика на больших расстояниях теряется. В этой схеме показание растёт с усилением света; идея делителя напряжения объяснена в руководстве по LDR. Передвигай фонарик вдоль рулетки, на каждом расстоянии жди 5 секунд, пока значение не установится, и записывай в таблицу три подряд идущих значения из монитора порта. В самом начале сделай одно измерение с выключенным фонариком: это фоновое значение комнаты. Если значение на самом большом расстоянии очень близко к фону, не включай это расстояние в график.

1// Deney 2: Işık şiddeti ve mesafe / Experiment 2: light intensity and distance
2// Bağlantı: 5V - LDR - A0 - 10 kΩ - GND / Wiring: 5V - LDR - A0 - 10 kΩ - GND
3const int LDR_PIN = A0;                    // bölücünün orta noktası / divider midpoint
4const unsigned long INTERVAL_MS = 500;     // yarım saniyede bir satır / one line every 0.5 s
5const int SAMPLES = 16;                    // ortalama için örnek sayısı / samples per average
6const bool PLOTTER_MODE = false;           // true: Serial Plotter için yalnız değer / value only for Serial Plotter
7
8unsigned long startMs = 0;
9unsigned long lastMs = 0;
10
11int readAverage() {
12  long sum = 0;
13  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
14    sum += analogRead(LDR_PIN);             // 0 (karanlık) ... 1023 (aydınlık) / dark ... bright
15    delay(2);
16  }
17  return (int)(sum / SAMPLES);              // gürültüyü azaltır / reduces noise
18}
19
20void setup() {
21  Serial.begin(9600);
22  if (!PLOTTER_MODE) {
23    Serial.println("zaman_ms,ldr_ham");     // CSV başlık satırı / CSV header line
24  }
25  startMs = millis();
26  lastMs = startMs - INTERVAL_MS;           // ilk ölçüm hemen / first reading right away
27}
28
29void loop() {
30  unsigned long now = millis();
31  if (now - lastMs < INTERVAL_MS) {
32    return;
33  }
34  lastMs += INTERVAL_MS;
35
36  int raw = readAverage();
37  if (PLOTTER_MODE) {
38    Serial.print("ldr_ham:");
39    Serial.println(raw);
40  } else {
41    Serial.print(now - startMs);            // deney başından beri ms / ms since start
42    Serial.print(",");
43    Serial.println(raw);
44  }
45}

Каждые полсекунды код выводит среднее из 16 измерений, и это сглаживает мелкий разброс отдельных значений analogRead. Чтобы посчитать сопротивление LDR, при сыром среднем в столбце F введи в столбец G формулу =10000*(1023-F3)/F3 и протяни её вниз (для постоянного резистора 10 kΩ и LDR, подключённого к 5V). Ожидаемый результат: с ростом расстояния показание падает: вблизи быстро, дальше медленно. Однако между 10 и 20 см сырое значение не уменьшается в четыре раза, потому что сырое число — это не освещённость, а мера напряжения делителя. Чтобы увидеть закон обратных квадратов, построй зависимость сопротивления LDR от расстояния на графике с логарифмическими осями: точки лягут примерно на прямую. Освещённость обратно пропорциональна квадрату расстояния, а сопротивление LDR примерно обратно пропорционально освещённости в степени γ; поэтому наклон прямой получается не 2, а 2 × γ. У распространённых LDR γ обычно от 0,5 до 0,9, так что жди наклон от 1 до 1,8. На уроке физики в старших классах это хороший повод поговорить о вопросе: «Как поведение самого измерительного прибора влияет на результат?»

Опыт 3: движение по наклонной плоскости и скорость звука (HC-SR04)

Вопрос: скатывается ли машинка, отпущенная на наклонной плоскости, с постоянной скоростью или всё время разгоняется? Как меняется ускорение при увеличении наклона? Пример гипотезы: «За равные промежутки времени машинка проходит всё большее расстояние, значит, она разгоняется; при более крутом наклоне она разгоняется быстрее». Независимая переменная — время (а во втором заходе — наклон: 1, 2 и 3 книги), зависимая переменная — расстояние от машинки до датчика; контролируемые переменные — машинка, точка старта и доска. Установка: подними один конец ровной доски длиной 1–1,5 м на книги и поставь HC-SR04 у нижнего конца, направив его вверх по доске. Приклей к задней части игрушечной машинки картонку 10 × 10 см: от маленьких округлых предметов датчик не получает надёжного эха, а плоская картонка даёт сильное эхо. Держи машинку примерно в 100 см от датчика, отпусти её и поставь перед датчиком книгу, чтобы машинка в него не врезалась. Как работает датчик и какая у него дальность, описано в руководстве по HC-SR04.

1// Deney 3: Eğik düzlemde hareket ve ses hızı / Experiment 3: motion on a ramp and speed of sound
2const int TRIG_PIN = 9;                    // tetik / trigger
3const int ECHO_PIN = 10;                   // yankı / echo
4const unsigned long INTERVAL_MS = 60;      // ölçümler arası en az ~60 ms / at least ~60 ms between pings
5const bool PLOTTER_MODE = false;           // true: Serial Plotter için yalnız değer / value only for Serial Plotter
6const bool RAW_ECHO_US = false;            // true: ses hızı deneyi için yankı süresi (µs) / echo time for speed of sound
7
8unsigned long startMs = 0;
9unsigned long lastMs = 0;
10
11void setup() {
12  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
13  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
14  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
15  Serial.begin(9600);
16  if (!PLOTTER_MODE) {
17    Serial.println(RAW_ECHO_US ? "zaman_ms,yanki_us" : "zaman_ms,mesafe_cm");  // CSV başlığı / CSV header
18  }
19  startMs = millis();
20  lastMs = startMs - INTERVAL_MS;           // ilk ölçüm hemen / first reading right away
21}
22
23void loop() {
24  unsigned long now = millis();
25  if (now - lastMs < INTERVAL_MS) {
26    return;
27  }
28  lastMs += INTERVAL_MS;
29
30  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
31  delayMicroseconds(2);
32  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);             // 10 µs tetik darbesi / 10 µs trigger pulse
33  delayMicroseconds(10);
34  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
35
36  unsigned long echoUs = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 25000UL);  // en fazla 25 ms (~4 m) / max 25 ms (~4 m)
37  if (echoUs == 0) {                        // yankı yok, satırı atla / no echo, skip the line
38    return;
39  }
40  float distanceCm = echoUs * 0.0343 / 2.0; // 343 m/s, gidiş-dönüş / round trip
41
42  if (PLOTTER_MODE) {
43    Serial.print("mesafe_cm:");
44    Serial.println(distanceCm, 1);
45  } else {
46    Serial.print(now - startMs);            // deney başından beri ms / ms since start
47    Serial.print(",");
48    if (RAW_ECHO_US) {
49      Serial.println(echoUs);
50    } else {
51      Serial.println(distanceCm, 1);
52    }
53  }
54}

Код выводит строку каждые 60 мс, примерно 16 строк в секунду; такой промежуток между измерениями рекомендуют, чтобы эхо-сигналы HC-SR04 не смешивались. Если эхо не вернулось (предмет вне диапазона или стоит под углом), строка пропускается. Скорость считай не по двум соседним строкам, а по строкам, отстоящим на 5 рядов: при интервале 60 мс даже разброс измерения в 1–2 мм заставляет скорость сильно скакать. Ожидаемый результат: график «положение — время» не прямая, а кривая, которая становится всё круче (парабола), а график «скорость — время» — примерно прямая: машинка разгоняется с постоянным ускорением, и наклон этой прямой даёт ускорение. На наклонной плоскости без трения ускорение было бы g × sin θ: доска 1,5 м, поднятая на 10 см, даёт sin θ ≈ 0,067, то есть примерно 65 см/с². Измеренное значение ниже этого из-за трения и вращения колёс, и в отчёте это идёт как источник погрешности. Вариант со скоростью звука: поставь RAW_ECHO_US в true, держи плоскую картонку перед датчиком на расстоянии 20, 40, 60, 80 и 100 см и усредни время эха на каждом расстоянии. На графике, где по горизонтальной оси путь туда и обратно (2 × d), а по вертикальной — время, наклон равен 1/v; v при комнатной температуре получается около 340 м/с и растёт с температурой (примерно v ≈ 331 + 0,6 × T м/с). Метод наклона к тому же автоматически убирает постоянную задержку внутри датчика.

Плоттер и перенос данных в таблицу

1. После загрузки кода открой Инструменты › Монитор порта (Tools › Serial Monitor) и выставь скорость 9600 бод, как в коде. Кнопку отметок времени держи выключенной: если она включена, в начало каждой строки добавляется время компьютера и CSV ломается.
2. Перед измерением очисти вывод и нажми на плате кнопку RESET. Тогда время начнётся с 0, а первой строкой будет заголовок вроде zaman_ms,sicaklik_C.
3. Для графика в реальном времени поставь в коде PLOTTER_MODE в true, загрузи код заново и открой Инструменты › Плоттер по последовательному соединению (Tools › Serial Plotter). Плоттер не сохраняет данные, а только показывает их; поэтому используй его для пробного прогона, а для записи верни PLOTTER_MODE в false.
4. Когда измерение закончено, выдели мышью строки в мониторе порта от строки заголовка до последней и скопируй их через Ctrl+C (на macOS Cmd+C). Вставь их в простой текстовый редактор и сохрани с именем, в котором есть группа, опыт и дата, например group2-cooling-1104.csv.
5. Импортируй файл в электронную таблицу: в Excel через Данные › Из текстового/CSV-файла (Data › From Text/CSV), в Google Таблицах через Файл › Импорт (File › Import), а в LibreOffice Calc файл достаточно просто открыть. В качестве разделителя выбери запятую.
6. Следи за десятичным разделителем: Arduino пишет числа с точкой, например 23.50, а таблицы со многими европейскими региональными настройками (и с русскими тоже) ждут запятую. При необходимости выбери при импорте язык «Английский (США)» или замени точки на запятые; иначе 23.50 прочитается как текст или дата и график окажется пустым.
7. Добавь расчётные столбцы (мс → с, разница, доля, скорость) и построй точечную диаграмму XY. Линейная диаграмма считает горизонтальную ось равномерными категориями, поэтому там, где строки пропущены, ось времени искажается.

У хорошего графика опыта четыре признака: независимая переменная по горизонтальной оси, зависимая по вертикальной, название и единица на обеих осях («Время (с)», «Температура (°C)») и заголовок, который говорит, что показано («Остывание 200 мл воды в открытой кружке»). Если показать два условия на одном графике разными цветами (с крышкой и без, 1 и 3 книги), сравнение видно с первого взгляда. Прежде чем ученики посмотрят на свой график, попроси их ответить на вопрос «Если наша гипотеза верна, как должен выглядеть график?» примерным наброском на бумаге; положить настоящий график рядом с наброском — самый простой путь к выводу. Вывод всегда должен опираться на число: «За первые 5 минут вода остыла на … °C, а за следующие 5 — на … °C». Как зафиксировать масштаб и подписать линии в плоттере, объясняется в руководстве по монитору порта. Если не хочется копировать длинные прогоны вручную, можно записывать данные прямо в файл с помощью Python, а для измерений без компьютера — писать CSV на модуль SD-карты.

Погрешности измерений и калибровка

План урока: 2 × 40 минут

Этот план подходит для всех трёх опытов. В первый раз советуем дать всем группам опыт 1: его проще всего собрать, а пока измерение идёт само, группы успевают подготовить таблицы. Когда класс освоится, 6 групп можно разделить на три станции по две группы; если каждый опыт делают две группы, они ещё и сравнивают свои результаты. Если загрузить код в платы до урока, на первом уроке экономится 8–10 минут. Карточки ролей и расстановку станций для больших классов смотри в статье о больших классах, а материалы и расстановку столов — в руководстве по школьной лаборатории.

• Какие переменные в опыте были независимой и зависимой, а какая оставалась постоянной?
• В какой части графика изменение идёт быстрее всего и как это видно по графику?
• Подтвердилась ли гипотеза? На какие два числа опирается этот вывод?
• Как изменился бы график, если бы измерения шли каждые 60 секунд, а не каждые 10?
• Что стало главным источником погрешности и что стоит изменить, если повторить опыт?

Оценивание: короткий шаблон лабораторного отчёта

• Название и вопрос: название опыта, участники группы, дата и вопрос опыта одним предложением.
• Гипотеза: по шаблону «Если …, то …, потому что …», ровно в том виде, в каком она записана до измерений; потом её не исправляют.
• Переменные: независимая, зависимая и не меньше двух контролируемых.
• Материалы и метод: датчик, краткая схема подключения, интервал измерений и число повторов; так понятно, чтобы другая группа могла повторить опыт, и не больше 6 шагов.
• Данные: сводная таблица по шаблону плюс имя CSV-файла.
• График: диаграмма XY с названиями осей, единицами и заголовком.
• Вывод: подтвердилась ли гипотеза? 2–3 предложения с опорой на одно-два числа.
• Источники погрешности и улучшения: не меньше двух источников погрешности и что стоит изменить при повторе опыта. Для выставления оценок можно приспособить к этим разделам критерии из статьи о критериях оценивания уроков Arduino.

Готовые проекты с датчиками, «Разбор кода» и утилиты в приложении

В BlueGrays для каждого датчика из этих опытов есть готовые проекты со схемой, списком деталей и кодом; по ним ученики могут познакомиться с датчиком до опыта. Бесплатные: Измерение освещённости с LDR, Измерение расстояния HC-SR04 (вывод в порт) и Температура и влажность с DHT11; для ESP32 бесплатны также Измерение освещённости модулем LDR на ESP32, Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 на ESP32 и Температура и влажность с DHT22 на ESP32 (с LCD-дисплеем). В бесплатных проектах открыты и блоки, и раздел Разбор кода: ученики шаг за шагом читают, что делает код, и самостоятельно вносят небольшое изменение в задании Твоя очередь; как использовать этот раздел на уроке, рассказано в статье о «Разборе кода». Чтобы посчитать напряжение делителя в опыте с LDR, подойдёт утилита делителя напряжения (Premium), а проверить резисторы помогут бесплатные утилита цветового кода резисторов и калькулятор закона Ома. Если хочется открыть всему классу Premium-проекты с датчиками, например Измерение температуры с NTC и LCD-дисплеем 2x16, который выводит температуру на LCD, или Регистратор температуры на ESP32 (DHT22 + DS1307 RTC + microSD + OLED), который сохраняет данные на карту microSD, для этого есть разовые пакеты для педагогов: ученики получают Premium без привязки карты.

Безопасность: горячая вода, электричество и вода рядом

• Горячая вода: не используй кипяток; около 60 °C достаточно, и кривая всё равно получается чёткой. Воду пусть раздаёт учитель, а кружки стоят в середине стола, где их не зацепит кабель. Во время измерения кружку не держат и не двигают.
• Вода и электричество: в воду опускается только металлический наконечник водонепроницаемого зонда. Arduino, макетную плату и компьютер держи не ближе 30 см от воды, лучше на отдельном подносе. Если на стол пролилась вода, сначала отключи USB-кабель, потом вытирай.
• Только питание по USB: все эти опыты работают от USB-порта компьютера; никакой прибор с питанием от сети (чайник, лампа, обогреватель) к схеме с Arduino никогда не подключается.
• Подключение: собирай и меняй соединения только при отключённом USB. Если деталь нагревается или чувствуется запах, сразу отключи USB.
• Свет: не направляй фонарик никому в глаза; смотреть вблизи на яркий светодиодный фонарик неприятно для глаз.
• Наклонная плоскость: доска не должна выступать за край стола, машинку должна останавливать книга до удара о датчик, а книги под доской нужно положить так, чтобы они не скользили.

Один датчик, чистый вывод в CSV и хорошо поставленный вопрос превращают школьный опыт из повторения результата из учебника в настоящее измерительное исследование: ученики строят собственные графики, обсуждают собственные источники погрешности и защищают вывод своими числами. Если до опыта хочется познакомиться с датчиками и шаг за шагом собрать схемы на телефоне, начни с бесплатных проектов с LDR, HC-SR04 и DHT11 в приложении BlueGrays.