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实验目的： 电暖宝即俗称的“电热水袋”，是冬季保暖的“法宝”，它可以在较短时间内进行充电蓄热，并且有一个较为缓慢的放热过程。在充电和放热这两个阶段中，电暖宝的温度变化规律是什么（直线还是曲线）？如果进行常规实验的话，需要借助温度计不断进行测试并记录数据，然后在直角坐标系中进行描点和连线，数据的采集精准度较低且操作比较繁琐；而借助于树莓派（微型电脑）与数字传感器，通过计算机编程生成动态数据的变化曲线，就可以比较轻松地进行电暖宝充电和放热温度变化规律的探究。 实验器材及连接： 树莓派3B+（带电源线）一块，DS18B20数字温度传感器一只，母对母异色（红、黑、黄三色）杜邦线三根，电暖宝（带充电器）一个，透明胶带若干。 将DS18B20数字温度传感器主体部分用两段透明胶带轻轻粘贴于电暖宝表面，其引脚通过杜邦线连接至树莓派（具体方法详见下步操作）；电暖宝水平放置，正确连接至配套的充电器（暂不通电）；树莓派连接好电源线，不开机，待用（如图1所示）。
图1 实验步骤： 1.正确进行DS18B20数字温度传感器的连接与配置 DS18B20是一种比较常见的数字温度传感器，可以用来对环境温度进行定量的检测，工作电压为3.3V或5V，测温范围是-55℃～+125℃，测量精度为±0.5℃，完全可以满足一般的实验探究需要。 DS18B20数字温度传感器有三个引脚：电源正极（VCC）、接地（GND）和信号输出（Out）。将准备好的三根异色母对母杜邦线与三个引脚分别连接好——正极VCC使用红色线，连接至树莓派40Pin中的1号引脚（3.3V端）；接地GND使用黑色线，连接至树莓派6号引脚（任意一处GND端即可）；值得注意的是，中间的Out信号输出端，最好是连接至7号引脚（使用黄色杜邦线），意即使用树莓派中BCM编码为4的GPIO（“通用型输入输出端口”），为下一步修改树莓派操作系统中的配置文件做好硬件连接准备（如图2所示）。
图2 注意：在连接时一定要正确分辨树莓派40个引脚的各自位置，其规律是：正对着树莓派（比如“RaspberryPi 3 ModelB+”字母标识），底部为奇数引脚列，从左至右分别为1、3、5……39；顶部为偶数引脚列，从左至右分别为2、4、6……40。或者对照古德微扩展板，保持其正确的对应方向，上面已经在四角分别标注了1、2、39和40引脚，比较容易查找。 正确连接好DS18B20数字温度传感器与树莓派后，给树莓派通电启动操作系统，开始修改对应的配置文件。打开Windows自带的“远程桌面连接”程序，输入树莓派的IP（比如192.168.0.4）后进行登录连接，找到boot文件夹下的config.txt系统配置文件，打开后查看其中是否已经配置有“gpiopin=4”的信息（如果之前未配置过的话一般是没有的），直接添加是无法奏效的（系统会有文件改写保护）。此时应该在命令行中调用vi编辑器进行文件内容的改写，输入命令“sudo vi /boot/config.txt”后回车，通过鼠标滚动至文件最后一行，按字母“i”（Insert）键切换至插入修改模式，输入“dtoverlay=w1-gpio-pullup,gpiopin=4”；然后依次按Esc键、输入冒号、“w”（Write），完成config.txt配置文件的信息添加操作。此时再打开进行查看，文件的末尾已经成功添加了对GPIO4的“启动设备树”操作（如图3所示）。 注意：为使新修改的配置生效，需要断电后再加电，重启树莓派操作系统。
图3 2.登录古德微机器人编程平台进行“积木”编程和数据采集 打开浏览器访问古德微机器人编程平台（http://www.gdwrobot.cn/），登录自己的账号后再点击“连接设备”（出现五个绿色对勾连接成功提示）；接着，点击切换至“积木”编程区，从右侧的“物联网”、“循环”等功能模块组中找到相关的语句拖至中央编程区组合，包括建立一个名为“return”的变量，用来获取每次检测到的温度值。由于不确定整个实验的持续时间——考虑到电暖宝的放热过程比较长，在此编写了一个持续执行的“死”循环（除非人为中断程序的运行）：设置的return变量每五秒读取一次温度传感器的数据，然后将该温度值输出在程序主体界面的LOG显示区（方便观察和调试），同时向zyyz002树莓派发送至temperature主题，作用是为曲线绘制提供曲线描点的数据采集（如图4所示）。
图4 接着，点击切换至“更多功能”—“采集数据”，在“采集标题”处填写“电暖宝温度数据采集”，下方的“服务器地址”、“端口号”等均保持默认值不变；然后点击后面的“测试连接”按钮，出现“连接成功”提示后在下方的“功能描述”中填写“电暖宝温度数据采集”，树莓派编号“zyyz002”，主题“temperature”，数值单位“℃”（如图5所示）；点击“保存”按钮进行项目的保存，然后点击“开始采集”按钮，就会弹出“电暖宝温度数据采集”的新页面（因未进行实验，数据暂时为空白）。
图5 3.运行程序进行温度数据的动态采集和曲线实时绘制 在“积木”编程区完成命令语句的编写后点击“保存”按钮，命名为“实时测水温”；接着，点击切换出“Log显示区”后再点击“运行”按钮，正式开始电暖宝的温度数据采集。 打开电暖宝的充电开关，同时观察编程“Log显示区”和数据采集区的图表展示：前者先是有文字提示信息“开始进行电暖宝温度数据的采集：”，然后每五秒显示一个数据：20.812、20.875……然后慢慢开始增加：21.0、22.25、22.875……后者在直角坐标系（横轴为时间、纵轴为温度）也同步出现对应的数值，并且直接有连线动态生成，非常直观地显示出此时电暖宝充电过程的温度数据变化（如图6所示）。
图6 大约四分钟左右的时间，电暖宝的温度数据显示是一直在不断攀升，当显示为54.375℃时充电器指示灯灭，停止工作，说明已经达到了其内设的最高安全温度值。撤掉充电器，继续观察数据（同时切换查看动态曲线），现在电暖宝的温度值开始有小范围（1℃内）的波动，大约会持续三分钟左右，温度数据显示为54℃左右；接着，温度值降低的幅度开始增大，整体是一段“坡度”比较急的曲线，大约持续了十分钟左右，温度数据显示为36℃左右；最后，进入“耗时”的放热降温区，曲线显示其“坡度”非常平缓，大约四十五分钟左右，温度数据显示为26℃左右，仍高于刚开始实验时的20℃室温，已经基本描绘出温度变化的大体规律——大致为一个“左急升、右缓降”的倾斜非对称“几”字形曲线（如图7所示）。因此点击“停止”按钮中断了实验，推断后面大约会有十五至二十分钟的最终缓慢放热降温过程，直至达到室温20℃左右（与左侧起点基本齐平），实验非常成功。
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