【E教中国·STEAM】基于STEAM理念的Micropython编程设计——炫彩的脉动

一、提出问题

人们心脏跳动的过程中皮下毛细血管内的血氧量会发生相应的变化，我们能否制作一个装置，使之伴随着心跳的节奏和律动，呈现出炫彩的脉动呢？

二、探究分析

主题：探究心率并体验测量心率的过程。（如图1）

图1 测量心率APP参考图示

按以下过程进行学习：

1.探索：心率、脉搏的定义是什么？2.感知：感知心率和脉搏的方法有哪些？两者之间的关系如何？3.体验：请安装测量心率的手机APP（如图1），体验测量心率的过程。4.描述：使用测量心率的手机APP的方法、过程和实验结果。5.思考：测量心率手机APP的设计原理和科学依据是什么？

三、设计实施

1.材料、工具准备。

Micro:bit主控板（如图2）；DFRobot 心率传感器（如图3）；彩虹灯带（如图4）；Micro:bit Boson 扩展板（如图5）；数据连接线；Micropython在线编程平台。

     图2     

图3

     图4        

图5

技术加油站

Micro:bit是一款ARM架构的单片机，包括板载蓝牙，加速度计，电子罗盘，三个按钮，5×5LED点阵（如图2）。

心率传感器只有拇指大小，可以检测人的心率变化，采用PPG光电容积脉搏波描记法（PhotoPlethysmoGraphy）测量心率，即插即用，通过检测皮下毛细血管内的血氧变化量来检测对应的人体心率。心率传感器配有两个安装孔，可以佩戴于手指、手腕、耳垂等，可与皮肤直接进行接触。

手指放在心率传感器上，将心率传感器的开关切换至A（模拟输入模式），可以通过判断P0引脚的模拟值来模拟心率。心脏跳动的过程中脉冲值不同，我们可以将脉冲值映射在亮灯的数目和颜色上：脉冲较低时颜色更接近红色，亮灯数量较少；脉冲较高时颜色更接近绿色，亮灯数量较多。编程过程中，通过调用P0引脚值可以读取心率数据，并映射在彩虹灯带亮灯的数目和颜色上，从而实现随着心跳的节奏灯带动态地发出炫彩，数据传输流向如图6所示。

图6 数据传输流向

2.硬件连接。

将Micro:bit主控板通过金手指插槽与扩展板相连接，心率传感器与Micro:bit扩展板的P0号引脚相连接，彩虹灯带与Micro:bit Boson 扩展板的P1号引脚相连接，通过USB数据连接线将Micro:bit与电脑相连，连接效果如图7所示。

图7 连接效果图

3.软件编程。

分析程序设计要点：（1）Micro:bit板载灯显示“心”形。（2）灯带亮灯的数量，心率脉冲的强弱决定亮灯数目的多少。（3）灯带的颜色，感测出脉冲较高时灯色接近绿色，反之接近红色。（同学们可以不拘一格地规划程序设计要点）

打开Micropython在线编程平台，网址为：http://python.microbit.org/v/1。界面如图8所示，在代码编辑区编写代码，点击Download，将代码烧录至Micro:bit板上，即可看到实验效果。

图8 Micropython在线编程平台

学生们可以自主编制程序代码,也可参考下列代码：（#后为注释语句，以便于阅读与修改）

from microbit import * #导入microbit库文件

import neopixel #导入灯带库文件

np = neopixel.NeoPixel(pin1, 7)     #将7个灯珠的灯带连接在P1口

display.show(Image.HEART)       #板载灯显示“心”形

while True:

length  = int (pin0.read_analog()/150)

#心率传感器连接到P0口，注意将传感器的开关拨到A侧

#Length是亮灯的数量，由心率脉冲的强弱来决定

#心率脉冲的最大值为1024，而灯带的数量为7

#1024/7约等于150，故两者比例为150∶1

 for pixel_id in range(0, 7): #通过for循环分别设定0~6七个小灯的颜色

 if pixel_id <= length: #如果序号小于等于Length的灯的颜色

green = length * 36 #灯亮得越多，色彩越偏绿色

 red = 255-green #绿色和红色互补，灯亮得越少，色彩越偏红色 

……（完整代码请扫描代码详情二维码）

提示：循环结构 分支结构

实验效果（心率脉冲较小时的实验效果如图9所示；心率脉冲较大时的实验效果如图10）：VIN引脚（扩展板上的充电口）连接一个充电宝（通过图9右下方白色连接线），上载程序后可以拔出连接Micro:bit与电脑的数据线，由充电宝供电。

图9 心率脉冲较小时

图10 心率脉冲较大时

                                         居晓波

上海市储能中学计算机高级教师，华东师范大学教育硕士。著书出版STEAM可视化编程思维系列教材，领衔多项创新教育科学研究项目，在教学、教科研、研究论文领域获奖众多。