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    運動科學 垂直跳躍檢測(二)

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    本習作的目的,是利用 Arduino 開發版,製作一個量度運動員垂直跳躍( Vertical Leap )高度的儀器,並可以計算在跳躍一刻的向上速度,過程中會涉及新高中課程中物理科的其中一個課題-重力作用下的垂直運動,將 STEM 與運動科學結合起來。

    專題主要由一塊木板作為跳躍平台,在平台的一邊有一個激光發射器,發射出的光束會射向平台另一邊的光敏電阻。

    用 Arduino 製作運動檢測器

    當運動員站在平台中間,預備進行垂直跳躍的時候,運動員的雙腳便會阻擋著光束,使光束不能夠到達光敏電阻;當運動員跳起來的時候,雙腳離開了跳躍平台,光束便可以射到光敏電阻,當運動員由空中跌回地面,雙腳踏在平台上的時候,光束便會再次被阻擋著。

    我們利用光敏電阻感檢測激光發射器的光束,產生訊號,從而量度運動員在跳躍時,逗留在空中的時間,再以物理公式計算出運動員垂直跳躍的高度。

    2_Overview

    跳躍平台的各項元件

    1. 接駁激光發射器

    在這個習作中我們利用激光發射器,將光束射向另一邊的光敏電阻,以產生一個更清楚的訊號。激光發射器的使用是非常簡單,只需要接上 Arduino 的電源便可以發射光束。在這次的實驗中我們把它接上接口 Pin11 ,因為這是一個脈衝寬度調變 Pulse Width Modulation ( PWM ),方便調節光束的亮度。同學們需注意,激光發射器發所發射出的光束,能量非常集中,務必注意,不要射到眼中,否則可能會導致眼睛受傷。

    激光發射器的光束不能射入眼中,因會導致眼睛受傷。
    激光發射器的光束不能射入眼中,因會導致眼睛受傷。

    2. 光敏電阻 Light Dependent Resistor LDR

    光敏電阻來感應光束的強弱,可產生訊號輸入 Arduino 中。當光敏電阻的電阻值隨著光線的強弱而改變,電阻值會與進入的光線成反比,亦即是光強度越強,電阻值便會下降,因應這個特性我們可以利用它來作感光元件。

    為了使光敏電阻只會受到激光發射器的光束而影響,我們會將飲管套著光敏電阻,除了可以限制了其他光源進入光敏電阻,減少雜訊外,還可以方便將光敏電阻安放在平台的木板平面上。

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    光敏電阻。
    光敏電阻。

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    為了減低受影響需加入飲管。
    為了減低受影響需加入飲管。

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    加入飲管後的外觀。
    加入飲管後的外觀。

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    預備好光敏電阻好之後,我們需要按著下圖接駁一個簡單的電路,便可以將光敏電阻作為這個習作的當作感光元件。

    9_circuit

    在上面的電路中,光敏電阻在沒有光源的時候,其電阻值大於 1KΩ 故此 Pin2 屬於低位的狀態。但當有光射進光敏電阻的時候,其電阻值便會小於 1KΩ , Pin2 便會接駁到 5V ,令狀態為高位,這便是此習作產生信號的原理。

    下星期待續……

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