(SKU:MBT0013) micro:bit自然与环境扩展板

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micro:bit 自然与科学功能指示图


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简介

这是一款基于micro:bit主板,与自然学科息息相关的创客教育产品。我们的设计初衷是:在创客教育的过程中能结合现有的知识和学科,让创客教育更加贴近生活。
产品上,我们集成了大气压强,温度,湿度,紫外线,光线,颜色,声音,水质,水温,土壤湿度等众多传感器。覆盖自然科学相关以及日常生活相关的方方面面。在学习的过程中,学生可学习到各种自然数据的测量原理,并通过自己编写图形化程序测量相关数据,加深对知识的理解,以及对自然科学的认知。

产品参数

  • 供电方式:3节1.5V AAA电池(3.5V~5V)
  • 数字输出电压:0V/3.3V
  • 模拟输入电压:0~3.3V DC
  • 通用接口:IIC、UART、P1、P2、P8、P12
  • ML8511紫外线传感器
    • 工作温度:-20~70°C
    • 敏感区域:UV-A,UV-B
    • 敏感波长: 280-390nm
  • BME280环境传感器
    • 工作电流:2mA
    • 工作温度:-40℃~+85℃
    • 温度检测范围:-40℃~+85℃,分辨率0.1℃,误差±0.5℃
    • 湿度检测范围:0~100%RH,分辨率0.1%RH,误差±2%RH
    • 大气压强检测范围:300~1100hPa
    • 湿度测量响应时间:1s
  • TCS34725颜色传感器
    • 工作电流:65uA
    • 检测距离:3-10mm
    • 温度范围:-30℃ ~ +70℃
  • 防水温度传感器
    • 温度显示范围为-10°C to +85°C(误差±0.5°C)
    • 使用温度范围:-55 to 125°C (-67°F to +257°F)
    • 查询时间少于750ms
  • TDS水质传感器
    • 注意
      • TDS探头不能用于55℃以上的水中。
      • TDS探头放置位置不能太靠近容器边缘,否则会影响读数准确性。
      • TDS探头头部与导线为防水,可浸入水中,但连线接口处与信号转接板不防水,请注意使用。
  • STM32 IIC地址:0x1F
  • 产品尺寸:196mm×110.6mm
  • 编程平台:MakeCode图形化编程、Mind+图形化编程

功能说明

Fig1:自然与科学功能图

MakeCode基础教程:点击进入makecode在线图形化编程基础操作教程
库地址:https://github.com/DFRobot/pxt-NaturalScience 关于如何添加软件库

第一章:认识和保护大自然

我们共同生活在这个美丽的蓝色星球:地球上。在地球上,有蓝色的海洋、绿色的森林、清澈的小溪,黄色的荒漠、有五颜六色的花朵,各种各样的动植物;有高山、有流水、有城市,有乡村.....这所有的一切让我们的家园兴兴向荣,生机盎然。
人口的膨胀、城市化的加速、工业的扩张,森林在被砍伐,空气变的浑浊,小溪不再清澈......
环保不仅仅是公益更是每一个人的责任,大到植树造林,小到垃圾分类,每个人都可以做些力所能及的事情来保护环境。环境保护,我们可以做些什么呢?首先,跟着我们一起认识和了解大自然。
通过我们的学习,我们不仅可以学到各种大自然的相关知识,如温度、湿度、大气压、紫外线、颜色、光线,水质等等......还可以在学习到如何使用micro:bit去测量这些数据和利用这些数据,从而更好的保护自然好珍惜我们的生活环境。

自然环境

第二章:身边的环境舒适度:温度和湿度

温湿度对环境舒适度的影响

在诸多的气象要素中,对人体健康和舒适度影响最大的就是温度和湿度了。一般人体感觉舒适的温度是18-28℃之间,湿度50%-60%之间;过低的湿度,过度干燥,一是容易产生静电,二是容易增大灰尘的密度,一般是50%-60%比较合适。

那么是什么在影响环境的温度和湿度呢?我们可以用什么手段来测量温度和湿度呢?
植物:植物可以蒸发水份提高周边环境空气湿度,又可以吸收太阳光能量降低周边环境温度,所以盛夏酷暑时节,茂密树林中的较为凉爽。
环境:冰川融化、大气污染、都会对环境温度和湿度造成很大的影响。

自然环境

温湿度的测量方法

大气中的温湿度我们很难控制,但室内的温湿度我们却是可以调节的,例如空调、加湿器、电风扇等等。在这里,我们来讲述温度和湿度的单位和测量方法。
温度的单位和测量:
温度和湿度的单位:目前最通用和常用的温度单位为:摄氏度(℃)和华氏度(F),湿度单位为百分比(% RH)
温度和湿度的测量:测量温度最常见的设备为温度计。在物联网时代的今天,我们还使用了一种叫做“温度传感器”和“湿度传感器”的设备来测量温湿度,并且可以将测量的数据显示在屏幕上,或者是传到计算机进行数据的分析。体积更加小巧,使用更加便利。

温湿度计和传感器

测量身边的温度和湿度

首先,请准备以下工具:
1、自然与科学扩展板 ×1
2、micro:bit主板 ×1
3、AAA电池 ×3
4、MicroUSB线 ×1

自然与科学使用

按图上,我们准备好了需要的测量工具,下面我们来编写测量程序进行环境温度和湿度的测量:
1、打开MakeCode图形化编程网址:https://makecode.microbit.org/
2、加载自然与科学库:https://github.com/DFRobot/pxt-NaturalScience
3、按下图编写程序:

获取温湿度代码-CN


下载好程序,我们看看程序的执行结果:在OLED屏幕第一排显示的温度为27.28℃,湿度为58.42%RH。这个温湿度的值人体舒适度感觉是比较好的。

温湿度测量执行结果

下面我们来看看是哪个元件在测量温度和湿度: 在大树的顶部,我们找到了一颗很小的元件,这颗微小的传感器元件可以测量温度、湿度和大气压强(关于大气压强,我们在下一个章节会讲解)。

传感器元件

请尝试着将我们的手指按住这颗传感器,如图:
我们会发现,两个数据发生了变化,特别是温度,变化的非常明显,温度在不停的升高,这是我们人体的温度比环境温度高,通过按住传感器,将人体温度传给了传感器。

手按住传感器

拓展应用

温度报警器
我们将程序做一些功能扩展,如图所示。可实现当温度超过30度的时候,蜂鸣器就开始报警提醒我们。

温度升高报警

学习总结

通过以上的学习,我们学习了如下内容:

  • 我们了解了温度和湿度的对人体舒适度的影响。
  • 了解了目前温度和湿度的测量方法。
  • 我们通过micro:bit编程亲自测量了身边的温度和湿度,并且实际体验了传感器的测量效果。

第三章:大气压强的知识与测量

大气压强简介

我们来了解一些大气压强的知识: 气压是作用在单位面积上的大气压力,即在数值上等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。著名的马德堡半球实验证明了它的存在。
气压的国际制单位是帕斯卡,简称帕,符号是Pa。气象学中,人们一般用千帕(kPa)作为单位。

大气压强与海拔高度的关系

气压的大小与海拔高度、大气温度、大气密度等有关,一般随着海拔高度的升高大气压强会减少。并且,一年之中,冬季比夏季大气压强高。
例如:
上海的海拔高度约为0米,大气压强约为105kpa;
成都的海拔高度约为520米,大气压强约为95kpa;
珠穆朗玛峰的海拔高度约为8848米,大气压强约为30kpa;
从上面的数据可以看出,随着海拔高度的增加,大气压强就越低。
有个计算公式,可大致计算出海拔高度,可以做为了解。
大气压同海拔高度的关系:
P=P0×(1-H/44300)^5.256
计算高度公式为:
H=44300*(1- (P/P0)^(1/5.256) )
式中:H=海拔高度,P0=大气压(0℃,101.325kPa)

大气压强与海拔高度

大气压强的测量方法

在上一节内容中,我们了解了大气压强的基本知识以及和海拔高度的关系,那么我们怎么来测量大气压强呢?
目前常用的有三种方式:水银气压计、金属膜气压计以及气压传感器。
水银气压计:水银气压计由Moreland氏在1670年发明,德国人A. Sprung氏加以改良,是测量大气压力的仪器装置,其测量的原理源自托里切利(Torricelli)实验。利用倒置于水银槽内玻璃管柱中的水银重量与周围大气压力平衡的原理,而以水银柱的高度表示大气压力。一个标准大气压(atm,standard atmosphere)等于76 cm水银柱的高度。
金属膜气压计:是利用内部充装的一个标准大气压与外界的气压差使金属膜片发生形变从而在指针上反映出来。
气压传感器:气压传感器是内部一个对气压强弱敏感的薄膜控制,当被测气体的压力降低或升高时,这个薄膜变形带动内部电阻值发生变化,从而引起电压的变化。经过A/D转换后,变成计算机可读取的气压数据。气压传感器不仅精度高,而且体积小巧,使用方便。在户外设备上被广泛使用,如:登山运动手表、信号基站、无人机等。

气压计

认识气压传感器及测量当地的大气压强

在上一个章节中,我们了解到,图中位置的传感器有三个功能,除了可以测量温湿度外,还可以测量大气压强。

传感器元件

现在我们重新修改程序,来测试当地的大气压强。
请编写如下代码,并复制到micro:bit中:
本程序会自动检测当地的大气压强,并显示在显示屏上。

大气压强测量

学习总结

通过本章的学习,我们学到了如下知识:
1、大气压强的基本概念;
2、大气压强与海拔高度的关系;
3、大气压强的测量方法;
4、编写程序测量大气压强;

第四章:声音的知识

声音的原理

声音是由物体振动产生的声波。是通过介质(空气或固体、液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。
当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时,他们的振动会引起空气有节奏的振动,使周围的空气产生疏密变化,形成疏密相间的纵波,这就产生了声波,这种现象会一直延续到振动消失为止。

声音的原理

我们是如何听到声音的?

声音在自然界发生和传递是一种振动声波,这种声波通过外耳接受到,通过耳道传递到鼓膜,鼓膜的振动引起位于耳朵内部的锤骨、砧骨、镫骨三块听小骨连动,将声波转换为固体振动。
接着,“内耳”的耳蜗接受来自中耳的振动后,激活人体最重要的听觉感受器——耳蜗螺旋器(Corti器)工作,将振动转变为神经冲动。
神经冲动沿着“听神经”传向大脑的听觉中枢,听觉中枢完成对听觉信息的分析、加工、整合、处理,至此听觉便产生了。
声源→声波(气体振动)→耳廓(收集声波)→外耳道(传导声波)→鼓膜(将声波转换成固体振动)→耳蜗(将振动转换成神经冲动)→听神经(传递神经冲动)→大脑听觉中枢(整合信息、产生听觉)。

听觉的原理

声音传感器的原理和应用

在上一节中,我们介绍了声音的原理和耳朵是怎么听到声音的。那么,声音传感器又是如何工作的呢?哪些地方用到了声音传感器?
声音传感器的介绍和原理:
声音传感器通过振动膜的振动大小和频率来检测声音的大小,并且将振动的大小转换成电信号大小的一种传感器。计算机通过一系列对电信号的转换和分析,即可直观的检测出声音的强弱
声音传感器的应用:
声音传感器广泛应用在日常生活、工业农业及军事上。例如我们常用的KTV、指挥交通的喊话器、手机、对讲机等等都用到了声音传感器。

声音传感器应用场景


那么,在我们的自然科学主板上,哪个是声音传感器呢?让我们看看。

板载声音传感器


上图中我们可以看到,我们使用了一颗微型的声音传感器,虽然它体积很小,但他有很高的灵敏度,我们可以使用这颗传感器拾取到拍掌声、说话声音的大小,并输入到micro:bit主板中用于计算。
下面,我们就来编写一个小的程序,来获取声音的大小吧:

声音可视化


上面的程序中,我们将获取的声音转换为micro:bit点阵的移动位置,声音越大,点阵越靠右边滚动点亮。

拓展应用

编写以下程序,记录1~9次拍掌的次数并在点阵上显示对应的数字,并且在OLED屏幕上实时显示当前声音的大小。在这个程序中,你可以学会使用多线程程序以及对声音大小的判断及使用。

掌声计数器

学习总结

通过本章的学习,我们学到了如下知识:

  • 声音的定义和原理;
  • 人们是怎么听到声音的;
  • 声音传感器的原理和应用;
  • 编写程序让声音的大小动态化显示在点阵屏上;
  • 编写程序,做有趣的掌声数量记录器;


第五章:光线的知识与应用

光线的小知识

首先我们来分享一些关于“光”的趣味小知识:
1、真空中的光速大约是每秒300,000公里,为宇宙中最大的速度。

光速

2、人们将引起萤火虫的发光菌类移植,感染烟草,烟草成长后就可以发光。科学家们大胆设想,将发光植物种植在道路两旁,就可当作路灯使用?

荧光

3、陆地上的某些菌类会在夜晚放出五颜六色的光,至今为止还没有完全解开其发光之谜。

荧光

4、无影灯,是一种先进的光源,它的外形是一个很大的灯盘,上面装有许多射向各个方面的荧光灯,能把手术台所有的暗影都照亮,所以无影灯下就没有影子了。

无影灯

我们是怎么看到光线的?

我们生活在这个世界上,可以看到阳光、月光、灯光、电影、电视,根本的原因都离不开光。
眼睛,它就是一部精密的照相机。眼睛跟相机一样,也可以根据其功能分为两部分,前面的角膜、晶状体和玻璃体相当于相机的镜头,属于屈光系统。
后面的视网膜相当于相机的胶片,属于感光系统。屈光系统其实就像是一块透镜,作用是把广阔世界的影像通过这块透镜汇聚到小小的视网膜上。

眼睛

光线的强度及测量

光有强有弱,早晨、中午、傍晚、夜晚的光线大小都不一样。我们怎么样来测量光线的强弱呢?
通常,我们使用一种叫做“光线传感器”的东西来对光线的强弱进行测量。光线传感器是一种利用光线值大小改变输出电阻或者输出电压的器件。如下图就是光线传感器的一种:

光线传感器

如下图红色圆圈中的器件就是我们板载的光线传感器:它是一个微型高灵敏度光学元件,不仅可以检测光线的强弱,还可以分辨不同的颜色。

光线传感器

下面我们编写一个程序来检测一下我们身边的光线值,如下图:
这是一个简单的程序,检测光线的强度,并且将获取的光线强度数据显示在OLED屏上。

光线检测程序

拓展应用

我们获取了光线的强度,但是,我们应该怎么样来使用这些数据呢?实际生活中,哪些地方可能会用到光线传感器呢? 比如路灯,在白天的时候不亮,到了晚上,路两旁的路灯就会自动点亮,这可能会用到两个原理,一是到固定的时间就自动点亮和熄灭。还有一种就是采用光线传感器对环境光进行检测,光线暗下来就自动打开路灯。
下面我们就利用这个原理,来做一个趣味的天亮自动叫醒服务程序:
这个程序模拟了一个场景:当早晨天亮时,窗外的光照到传感器上,这时候,喇叭发出音乐声提醒你该起床了。于是,你按下A键,音乐停止播放,并且床头灯亮了起来。当你穿好衣服后,按下B键,床头灯熄灭,程序进入下一轮等待状态。

天亮自动叫醒

学习总结

在本章中,我们学习了以下内容:

  • 了解了光的小知识。
  • 了解了人是怎样看到光线的。
  • 学习了光线的测量方法。
  • 通过编写程序,制作天亮叫醒服务装置,加深理解了光线传感器的原理和应用。

第六章:颜色原理与颜色识别

在这美丽多姿,色彩丰富的世界,我们能看到各种各样的颜色:绿树、蓝天、彩虹、卡通、各种颜色的衣服等等,那这些颜色都是怎么形成的?人的眼睛又是怎样看到各种颜色的呢?

色彩

颜色的形成原理

光具有多种颜色光谱,可见光投射到物体上,不同的物体对不同颜色的光谱吸收不同,有一部分波长的光被吸收了,一部分波长的光被反射出来刺激人的眼睛,形成了不同的颜色。
人的视网膜内有红、绿、蓝三种感光色素,它们不仅对光敏感,对颜色也非常敏感。光线射到视网膜上,能不同程度地分别引起这三种细胞发生变化,沿着不同的神经通道,传入大脑皮层中的视觉中枢,产生相应的色觉。
当三种感光色素受到刺激同等时,就显示白颜色。当它们受到不同比例的混合刺激时,即可形成各种各样的色觉,人们就是这样认识和感知这个绚丽多彩的世界的。

三基色原理

自然界当中,存在很多种颜色,如:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白等等......
后来,人们发现,几乎自然界中所有颜色的光,都可以通过红、绿、蓝三种基本颜色混合而成,这就是三基色原理。
三基色是指红,绿,蓝三种颜色,我们简称为:RGB 。如下图,通过图中发现:
红色和蓝色叠加的时候,就显示出了紫色;
红色和绿色叠加的时候,就显示出了黄色;
绿色和蓝色叠加的时候,就显示出了青色;
红、绿、蓝一起叠加的时候,就显示纯白色;

三基色原理

RGB彩灯的原理及应用

根据颜色的形成原理和眼睛识别颜色的原理,人们发明了彩灯、照相机、颜色识别传感器等等科技产品来应用于我们的生产和生活。本节中,我们就来学习RGB灯以及颜色传感器
1、首先,我们准备一个RGB灯模块,如下图:

RGB灯模块

2、将模块接到P1口,如下图:

RGB灯模块接线

3、下面我们来开始编写一个程序直观的感受RGB三基色混合原理:
程序中,我们调用了RGB灯的库。并设置RGB灯接在P1接口,数量为1个。
1、首先,设置了Red的值为255,green和blue均为0,显示为红色;
2、延时一秒后,设置了Red的值为255,Green和Blue均为0,显示为绿色;
3、延时一秒后,设置了Blue的值为255,Red和Green均为0,显示为蓝色;
4、延时一秒后,设置了Red和Blue的值为255,Green的值0,显示为紫色;
5、延时一秒后,设置了Red和Green的值为255,Blue的值0,显示为黄色;
6、延时一秒后,设置了Green和blue的值为255,Red的值0,显示为青色;
程序最终的执行结果:RGB灯依次显示红、绿、蓝、紫、黄、青 6种颜色。
在程序中,我们看到RGB三基色的范围为:0~255 。大家可以尝试改变RGB三个参数的值,来看看不同数值输出什么颜色。

RGB灯显示程序

我们试着在RGB灯上盖一张纸,你会发现,颜色融合的更好了,如下图:

RGB灯显示效果

颜色识别传感器

首先,我们来看一下颜色识别传感器是什么样子,如下图:
可能你会问:这不就是光线传感器吗?对,这个传感器它即可以检测光线强度,也可以检测不同的颜色值。

光敏传感器

下面我们就用本传感器来实际测试一下身边的各种颜色的数值吧。首先,我们编写一个检测程序:

颜色检测程序

下载好程序后,我们找一些有鲜明颜色的物品放在传感器上大概5mm左右的高度,这时候,显示屏就可以显示出当前的颜色RGB三个值。当然,因为光线、距离等的影响,这个值可能不是最准确的,准确的数据还需要进行各种算法的修正。但是我们可以通过这种方式来了解颜色读取的方法。并且我们可以尝试将读取到的颜色值记录下来,使用程序里点亮RGB灯,看看颜色传感器到底看到了什么颜色。

颜色检测方法

学习总结

在本章节中,我们学到了以下内容:

  • 颜色的形成原理;
  • 三基色的原理;
  • RGB灯的原理好应用;
  • 颜色识别传感器的原理和测量;

第七章:紫外线的作用

什么是紫外线?它从哪里来的?

紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称,我们的眼睛直接看不到紫外线。 1801年,德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光,从而发现了紫外线的存在。
紫外线根据波长分为:近紫外线UVA,远紫外线UVB和超短紫外线UVC。紫外线对人体皮肤的渗透程度是不同的。紫外线的波长愈短,对人类皮肤危害越大。短波紫外线可穿过真皮,中波则可进入真皮。

阳光紫外线

紫外线对人体的好处和危害

紫外线对人体的好处:
1、杀菌消毒:人体的表皮中分布着一种基底细胞,这种细胞含有“黑色素原” 是一种酪氨酸物质 ,在紫外线的作用下,“黑色素原”变为黑色,沉着于被晒的皮肤表面,使皮肤呈均匀的黑褐色。这就是日光晒黑皮肤的重要原因。这种沉着的色素可吸收较多的光能,迅速转变为热能,并刺激汗腺分泌而散热。晒太阳能杀死皮肤上的细菌,预防疖疮、毛囊炎等皮肤病。室内常进阳光,勤晒被褥,可减少疾病的传播。
2、促进钙磷代谢人体皮肤中含有固醇类物质:这种物质经阳光中的紫外线照射可变为维生素D。维生素D进人血液后改善钙、磷的代谢,有抗佝偻病、骨软化和老年骨质疏松的作用。

3、增强机体的免疫能力:阳光中紫外线的照射,能刺激机体的造血机能,使红血球的数量增多,血色素增加,改善红细胞质量,改善肌肉的活动状态,还能降低血压、血糖、胆固醇、增加机体免疫能力,促进机体细胞吸氧能力和新陈代谢,减轻气喘病和关节疼痛,舒筋活血,增强体质。

紫外线对人体的危害:
紫外线具有一定的杀菌作用,但过度照射紫外线对人体是有害的。
1、损伤眼睛:紫外线照射时,眼睛受伤的程度和时间成正比,与照射源的距离平方成反比,并和光线的投射角度有关。
2、损伤皮肤:紫外线强烈作用于皮肤时,可发生光照性皮炎,皮肤上出现红斑、痒、水疱、水肿、眼痛、流泪等;严重的还可引起皮肤癌。
3、损伤神经中枢系统:紫外线作用于中枢神经系统,可出现头痛、头晕、体温升高等症状。

认识紫外线传感器以及应用

适度照射紫外线对人体有好处的,但过量照射紫外线对人体是有害的,那么我们就需要对紫外线进行测量,利用紫外线为人类服务,并且避免过量紫外线对人体造成伤害。
下面,我们来介绍一下紫外线测量的器件:紫外线传感器 如下图:
紫外线传感器是利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号的传感器,它只对紫外光敏感,对通常的日光,灯光不敏感,所以可以较为准确的测量紫外线的强度。

紫外线传感器


了解了紫外线传感器,下面我们来实际测量一下紫外线强度,首先编写程序:

紫外线程序

测量不同环境下紫外线的强度

首先我们准备一张类似下面那样的表格:
我们将不同的地方和时间段测试的数据分别记录下来,同时,我们也可以尝试在测量紫外线时,也同时测量温度、光线强度,然后做比较和总结,理解温度,光线强度和紫外线强度之间的关系。

紫外线记录表

拓展应用

学习总结

在本章中,我们学习到了以下内容:
1、紫外线是一种电磁波;
2、紫外线具有杀菌的作用;
3、长期照射紫外线对人体有伤害;
4、紫外传感器可以准确的检测紫外线,而对普通光线不敏感;
5、通过编写程序测量紫外线,并做对比和总结;

第八章:我们的生命之源:水

水的基本知识

水是生命之源。但是,你对水的了解有多少你?我们一起来看一些小知识。
1、水(H₂O)是由氢、氧两种元素组成的无机物,在常温常压下为无色无味的透明液体。
2、水有三种状态:液体、固体、气体。
2、地球上有72%的表面被水覆盖。
3、地球上大约有十五亿立方千米的水。
4、地球上97%的水是咸水,2.1%的水仍然被冰冻在极地冰盖,所以,我们能直接饮水的淡水不到1%。
5、我们的身体60%~70%都是由水组成,即一个70公斤的人体内有42公斤左右的水。
6、地球上几乎有水的地方就有生命,不论是在几乎沸腾的水中,还是在强酸中。

保护水资源

刚才我们了解到,我们能直接饮水的淡水不到1% ,我们的饮用水资源是非常非常有限的。尽管的淡水资源如此有限,但是,现在依然有大量的水资源被污染、被浪费。
河流中漂浮着垃圾、塑料袋;工业废水偷偷的排往河流中等等;......
保护水资源我们能做什么呢?
保护水资源,我们能做的就是,从自身做起,节约用水,随手关水龙头,不污染水源。

水龙头

水质的测量和分析-TDS水质知识介绍

上一个小节中,我们了解到了我们的饮用水资源很有限,了解了水污染,知道了节约用水,保护水资源等知识。那么我们现在来了解和学习下水质的测量。
我们来了解一个名词:TDS 。TDS是影响水质的重要参数。

什么是TDS值?
TDS值指总溶解固体(英文:Total dissolved solids,缩写TDS),又称溶解性固体总量,测量单位为毫克/升(mg/L),它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。TDS值越高,表示水中含有的溶解物越多。
简单的来说,TDS值部分反映了水的纯净度。TDS值越低,说明水质越纯,TDS值越高,说明水中含的溶解性固体越多,但不能由此判断TDS值高的水就有害。
比如,河流里面的水,TDS值约为400,自来水约为100,桶装纯净水约为10 ,果汁的TDS值为500,从上面的数值可以看出,桶装纯净水的纯度非常高,杂质非常少。果汁的TDS值为500,但是对人体无害。
但是TDS不是判断水质的唯一标准。TDS仅能测出水中的可导电物质,但无法测出细菌、病毒等物质。我们还需要综合测试水的PH值,酸碱度,细菌含量等等项目综合评估水是否可以直接饮用。

TDS

TDS值的测量和应用场景
下图中向我们展示了TDS检测在实际生产生活中的应用场景,例如水质检测笔、净水器、游泳池、自来水处理厂等等都会做TDS值的检测。
虽然TDS值不是判断水质的唯一指标,但TDS值是判断水质的一个重要指标。

TDS应用场景


测量不同水源的TDS值并分析

下面我们就动手编写一个水质检测程序,分别测试不同的水源,对应的TDS值为多少,并做好记录。程序如下:

TDS测试程序
TDS检测水质

1、编辑上图中的程序并下载到microbit主板中运行;
2、在TDS插座位置插上TDS探头;
3、将探头放入不同水源中,并轻轻摇晃探头,在OLED显示屏上读取并记录数据。记录表格样式如下:
通过选取不同地点的不同水源进行检测,并做记录,我们会得出一组TDS数据,可直观的了解到不同地区不同水源的污染情况。

TDS记录表

学习总结

通过以上学习,我们学习到了以下内容:
1、水的基本知识,并了解到了一些水的小知识;
2、了解了水对人类的重要性,并知道了应该节约用水;
3、了解了水质检测的应用场景以及TDS值的概念;
4、学习了用TDS探头去测试不同的水源的TDS值,并做记录表格;

第九章:水温的测量及应用

哪些场合我们需要测量和控制水温?

在我们的日常生活中,我们需要接触到许多不同温度的水。例如茶、咖啡、洗澡、游泳等等,涉及到的设备就包含加热器、饮水机、热水器、温度控制器等等。 那么我们是怎么来检测和控制水的温度的呢?我们下面就来讲水温传感器。

水温场景


认识水温传感器

水温传感器是由密封的金属壳体加内部的温度传感器组成,如下图: 当我们把水温传感器放入水中的时候,水的温度通过金属导热体将温度传给内部的温度传感器,引起传感器值发生变化。这就是水温传感器的原理。

水温传感器

水温控制程序的编写

同上面的那些项目一样,我们同样可以用很简单的方式编写一段程序用于测量水的温度:

水温传感器程序

拓展练习

在第一章中,我们测量温度的值都是采用的摄氏度,还有一种“华氏度”也是广泛使用的温度计量单位,让我们了解一下,并做相应的换算。
首先,我们来看一下两种温度计量单位的定义:
摄氏度:“把冰水混合物的温度设定为0℃,把沸水的温度设定为100℃,它们之间分成100等份,每一等份是摄氏度的一个单位,叫做1摄氏度。 华氏度:在标准大气压下,冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉,中间有180等分,每等分为华氏1度。
摄氏度转化为华氏度公式:
华氏度=32+摄氏度×1.8

下面我们就利用这个转换公式将测量到的温度值转换为华氏度:

温度转换

在本程序中,我们使用数学运算符将摄氏度的值转换为华氏度的值,并且使用了两个新的程序模块:截断和组合字符串
截断:将获取的数值的小数截断,只保留整数;
组合字符串:将两个字符串组合在一行显示;
最终,我们得到了如图所示的效果:

温度转换效果

学习总结

在本章节中,我们学习了如下的内容:

  • 热水器、智能水杯、饮水机等场合需要测量水温及控制水温;
  • 认识了水温传感器以及原理;
  • 使用图形化编程测量了水温;
  • 学习了摄氏度好华氏度的转换;

第十章:种下一棵树

森林小知识

在地球上,覆盖着大量的森林。全球森林主要集中在南美、俄罗斯、中非和东南亚。这4个地区占有全世界60%的森林,其中俄罗斯、巴西、印尼和刚果拥有全球40%的森林。全世界的森林覆盖率为32%,北美洲为34%,南美洲和欧洲均为30%左右,亚洲为15%,太平洋地区为10%,非洲仅6%。森林最多的洲是拉丁美洲,占世界森林面积的24%,森林覆盖率达到44%。这些森林为调节气候,防止沙漠入侵,保护自然生态起着重要的作用。
联合国环境规划署报告称,有史以来全球森林已减少了一半,主要原因是人类活动。根据联合国粮农组织2001年的报告,全球森林从1990年的39.6亿公顷下降到2000年的38.7亿公顷。全球每年消失的森林近千万公顷。

植物对保护人类居住环境的作用
1、美化环境
许多植物具有较高的观赏价值,特别是园林植物。园林植物以其优美的姿、丰富的色彩增添了城市的景色,具有良好的美化环境的作用。

2、保护和改善环境
植物的叶片能进行光合作用,吸收空气中的二氧化碳、放出氧气,使空气清新。高大的植物树冠可有效的阻挡空气中的粉尘,多毛的叶片表面可吸附粉尘和吸收空气中的有害物质,如二氧化硫、氟化氢、氯气等。

3、调节改善环境小气候
高大的植物具有良好的遮荫作用,植物叶片的蒸腾作用可增加空气中的湿度,并通过吸热降低空气温度,有效的调节和改善环境小气候。有些植物还可以分泌大量的杀菌素,有效的杀死空气中的有害菌。植物还可以有效的阻挡噪音。植物的根系可有效的固定土壤,防止水土流失。

植物的光合作用
绿色植物利用太阳的光能,同化二氧化碳(CO2)和水(H2O)制造有机物质并释放氧气的过程,称为光合作用。光合作用所产生的有机物主要是碳水化合物,并释放出能量。

植物与环境

环境对植物的影响

水份、阳光、温度、湿度、大气压强都会对植物的形态、生存产生影响,其中,水份含量影响最大。
水分是植物体的重要组成部分。一般的植物都含有60%~80%的水份,甚至90%以上。植物对营养物质的吸收、运输,以及光合作用、呼吸等生理作用,都必须在有水份的参与下才能进行。
例如在沙漠环境条件下能生存的植物,主要特点为抗旱,一般的沙漠植物叶子都比较小,以减少蒸腾作用带来的水分流失,主要代表为仙人球、光棍树、芦荟等等。
在热带雨林中,由于雨水多,水份充足,生长着大量的阔叶植物,例如芭蕉、榕树等等。

不同环境下的植物

植物水份测量

通过学习,我们知道了水份对植物的重要性,那么,在农业种植过程中,我们就需要时刻关注植物的水份情况,不能缺水,也不能让水过多造成植物根茎被淹。
下面我们就利用套件里的土壤湿度传感器来学习土壤湿度的测量。土壤湿度传感器如下图:

电容土壤湿度传感器


连接土壤传感器:

连接土壤湿度传感器

编写程序校准土壤传感器

连接土壤湿度传感器程序

将程序下载到microbit后,按下图获取在干燥环境下的读数,并记录下来,然后在水中再测量一次,并记录下数据(我测的数据为水中543,干燥841)。

土壤湿度传感器校准

然后修改程序,代入之前的干燥和水中的两个校准值,程序如下: 在程序中,我们将543映射为10,841映射为0,在实际测试的时候,当湿度最低的时候就为0,湿度最高的时候为10

土壤湿度测量程序

下载好程序后,将土壤湿度传感器插入待测的花盆土中,即可显示出当前土壤的0~10之间的湿度值。 根据不同植物对水份的要求,我们即可对湿度是否合适做出初步的判断。

实际测量土壤湿度

学习总结

在本章中,我们学习到了以下内容:

  • 了解到了不同地区的森林覆盖率,了解了植物对环境的重要性。
  • 了解了植物的光合作用。
  • 了解了植物生长需要的环境因素。
  • 学习了怎样使用土壤湿度传感器检测土壤湿度。

疑难解答

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