第1步：Pssst，公民科學(xué)和“官方科學(xué)”有什么區(qū)別？

最大的區(qū)別在于，正如我所說(shuō)，公民科學(xué)是“手波浪”，這意味著存在許多錯(cuò)誤和不確定性，并且沒(méi)有嚴(yán)格的過(guò)程來(lái)識(shí)別它們。因此，通過(guò)公民科學(xué)得出的結(jié)論遠(yuǎn)不如科學(xué)科學(xué)那么準(zhǔn)確，不應(yīng)該依賴于做出嚴(yán)重/改變生命/危及生命的主張或決定。*

話雖如此，公民科學(xué)是建立對(duì)各種迷人科學(xué)現(xiàn)象的基本理解的好方法，對(duì)于大多數(shù)日常應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好了。

*如果您正在進(jìn)行公民科學(xué)研究并發(fā)現(xiàn)有潛在危險(xiǎn)的事物（例如水中鉛含量過(guò)高），請(qǐng)通知您的教育工作者（如果適用）并聯(lián)系相關(guān)機(jī)構(gòu)和專業(yè)人士尋求幫助。

第2步：什么是Arduino ？？

Arduino是一個(gè)微控制器板和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（“IDE”），這是一種說(shuō)“編碼程序”的奇特方式。對(duì)于初學(xué)者，我強(qiáng)烈推薦 Arduino Uno 主板，因?yàn)樗鼈兎浅?qiáng)大，可靠且功能強(qiáng)大。

Arduino板是公民科學(xué)項(xiàng)目的不錯(cuò)選擇，因?yàn)樗鼈冇泻芏噍斎胍_可以讀取模擬和數(shù)字傳感器（我們稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。

當(dāng)然，您可以根據(jù)您（或?qū)W生）的需求，能力和舒適程度，將其他微控制器用于公民科學(xué)。以下是微控制器的概述，以幫助您決定什么是最適合您的！

閃存或編程，Arduino板，通過(guò)USB插入，然后：

1。在工具 - 》板下選擇您正在使用的Arduino類型。 （照片2）

2。選擇端口（也就是連接到計(jì)算機(jī)的位置）。 （照片3）

3。單擊“上載”按鈕，檢查它是否完成上載。 （照片4）

第3步：工具和材料

如果您剛?cè)腴T，獲取套件是一種快速簡(jiǎn)便的方法一次得到一堆零件。我在本教程中使用的工具包是 Elegoo Arduino入門套件。*

工具

Arduino Uno

USB A到B電纜（又名打印機(jī)電纜）

跳線

3 male- to-male

3男性對(duì)女性

面包板

可選但建議讓您的生活更輕松，更有趣：）

材料

對(duì)于本教程中涉及的項(xiàng)目，您需要以下部分來(lái)自Elegoo Arduino入門套件：

傾斜開(kāi)關(guān)

DTH11溫度和濕度傳感器

LED

100歐姆電阻

*完全披露：我購(gòu)買了相同的套件研討會(huì)，但本教程中使用的工具包是由Elegoo的可愛(ài)人員捐贈(zèng)的。

第4步：我們可以使用哪種傳感器？

設(shè)計(jì)科學(xué)前我們通常會(huì)提出一個(gè)問(wèn)題：植物每天吸收多少二氧化碳？跳躍的沖擊力是多少？什么是意識(shí)？

根據(jù)我們的問(wèn)題，我們可以確定我們想要測(cè)量的內(nèi)容并進(jìn)行一些研究以找出我們可以用來(lái)收集數(shù)據(jù)的傳感器（雖然最后收集數(shù)據(jù)有點(diǎn)棘手）問(wèn)題！）。

使用電子設(shè)備時(shí)，有兩種主要類型的傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)：數(shù)字和模擬。 在照片中，前兩行的部分都是數(shù)字傳感器，而前兩行是模擬的。

有許多不同類型的數(shù)字傳感器，有些更難以工作與其他人相比。在為您的公民科學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行研究時(shí)，請(qǐng)始終檢查傳感器如何輸出數(shù)據(jù)（srsly tho）并確保您可以找到該特定傳感器的（Arduino）庫(kù)。

在本教程涉及的三個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用兩種類型的數(shù)字傳感器和一種模擬傳感器。讓我們來(lái)學(xué)習(xí)吧！

第5步：數(shù)字傳感器！第1部分：Easy Ones！

您將使用的大多數(shù)傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，這是一個(gè)信號(hào)，要么是打開(kāi)或關(guān)閉。*我們使用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示這兩種狀態(tài)：On信號(hào)由1或True給出，而Off為0或False。如果我們要繪制二進(jìn)制信號(hào)的圖像，那就像方波2中的方波一樣。

有一些數(shù)字傳感器，如開(kāi)關(guān)，非常簡(jiǎn)單直接測(cè)量因?yàn)榘聪掳粹o并且我們得到信號(hào)（1），或者沒(méi)有按下按鈕而我們沒(méi)有信號(hào)（0）。第一張照片底行中的傳感器都是簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)類型。頂行的傳感器有點(diǎn)復(fù)雜，在我們的第一個(gè)項(xiàng)目之后就會(huì)被覆蓋。

本教程的前兩個(gè)項(xiàng)目將教你如何使用這兩種類型！繼續(xù)建立我們的第一個(gè)項(xiàng)目！！

* On表示電流和電壓形式的電信號(hào)。關(guān)閉表示無(wú)電信號(hào)！

步驟6：項(xiàng)目1：傾斜開(kāi)關(guān)數(shù)字傳感器

對(duì)于第一個(gè)項(xiàng)目，讓我們使用一個(gè)傾斜開(kāi)關(guān)，即帶有兩條腿的黑色圓柱形傳感器！

步驟1：將傾斜開(kāi)關(guān)的一條腿插入Arduino數(shù)字引腳13，另一腳接入引腳13旁邊的GND引腳。方向無(wú)關(guān)緊要。

步驟2：編寫一個(gè)草圖，讀入并打印出Digital Pin 13的狀態(tài)。

或者你可以使用我的！

如果您剛開(kāi)始編寫代碼，請(qǐng)仔細(xì)閱讀注釋，以便更好地了解草圖的工作原理，并嘗試更改某些內(nèi)容以了解會(huì)發(fā)生什么！打破事情是可以的，這是一種很好的學(xué)習(xí)方式！您可以隨時(shí)重新下載該文件并重新開(kāi)始：）

步驟3：要查看您的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，請(qǐng)單擊“串行監(jiān)視器”按鈕（照片2）。

。. aaaand就是這樣！您現(xiàn)在可以使用傾斜開(kāi)關(guān)來(lái)測(cè)量方向！將它設(shè)置為在敲擊東西時(shí)叫出你的小貓，或用它來(lái)跟蹤風(fēng)暴期間樹(shù)枝如何移動(dòng)！ 。.在這兩個(gè)極端之間可能存在其他應(yīng)用。

第7步：數(shù)字傳感器！第2部分：PWM和串行通信

有很多方法可以創(chuàng)建更復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)！一種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（“PWM”），，這是一種奇特的方式，表示信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟并關(guān)閉一段時(shí)間。伺服電機(jī)（可用于測(cè)量位置）和超聲波傳感器是使用PWM信號(hào)的傳感器示例。

還有一些傳感器使用串行通信來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)一位，或二進(jìn)制數(shù)字，一次。這些傳感器需要熟悉讀取數(shù)據(jù)表，如果您剛開(kāi)始使用它們會(huì)非常棘手。幸運(yùn)的是，常見(jiàn)的串行傳感器將具有代碼庫(kù)*和示例程序，因此您仍然可以拼湊一些功能性的東西。有關(guān)串行通信協(xié)議的更多細(xì)節(jié)超出了本教程的范圍，但是這里有一個(gè)很好的資源來(lái)自SparkFun的串行通信以了解更多信息！

對(duì)于這個(gè)示例項(xiàng)目，讓我們使用溫度和濕度傳感器（DHT11）！這是一個(gè)帶有孔和3個(gè)針腳的藍(lán)色正方形。

首先，我們需要為DHT11傳感器提供一些特殊的庫(kù)： DHT11庫(kù)和Adafruit統(tǒng)一傳感器庫(kù)。

安裝這些庫(kù)（以及大多數(shù)其他Arduino庫(kù)）：

步驟1：打開(kāi)Arduino庫(kù)管理器，轉(zhuǎn)到草圖 - 》庫(kù) - 》管理庫(kù)（照片2）

步驟2：安裝并激活DHT庫(kù)，搜索“DHT”，然后單擊“安裝”以獲取“DHT Arduino Library”（照片3）

步驟3：安裝并激活A(yù)dafruit統(tǒng)一傳感器庫(kù)，方法是搜索“Adafruit Unified Sensor”并單擊“安裝”。

步驟4：插入DHT庫(kù)Libraries，然后單擊“DHT Arduino Library。”（照片4）這將在草圖頂部插入幾行新行，這意味著我們的庫(kù)現(xiàn)在處于活動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)可以使用！（照片5）

*就像你喜歡的一樣ocal庫(kù)，代碼庫(kù)是豐富的知識(shí)和其他人的辛勤工作，我們可以用來(lái)使我們的生活更輕松，yay！

第8步：項(xiàng)目2：溫度和濕度數(shù)字串行傳感器

抓住3個(gè)男性到來(lái)自Elegoo Arduino入門套件的女性跳線我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了！

第1步：當(dāng)標(biāo)題針朝向你時(shí)，連接最右邊的標(biāo)題將DHT11引腳連接到Arduino接地（“GND”）引腳。

步驟2：將中間接頭引腳連接到Arduino 5V 輸出引腳。

步驟3：將最左邊的標(biāo)頭引腳連接到Arduino數(shù)字引腳2。

第4步：最后，閱讀DHT庫(kù)并試著寫一個(gè)草圖！ Oooor你可以在Arduino中使用我的或DHT測(cè)試示例草圖 - 》示例！

當(dāng)你啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)，出去測(cè)量所有東西的溫度和濕度！ 。.就像動(dòng)物的呼吸，溫室或一年中不同時(shí)間你最喜歡的攀巖點(diǎn)，找到*完美的*發(fā)送溫度。

步驟9：模擬傳感器！

在難以深入數(shù)字傳感器后，模擬傳感器看起來(lái)輕而易舉！模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，如第2張照片所示。大多數(shù)物理世界存在于模擬（例如溫度，年齡，壓力等），但由于計(jì)算機(jī)是數(shù)字*，大多數(shù)傳感器將輸出數(shù)字信號(hào)。一些微控制器，如Arduino板，也可以讀取模擬信號(hào)**。

對(duì)于大多數(shù)模擬傳感器，我們給出傳感器功率，然后使用模擬輸入引腳讀取模擬信號(hào)。對(duì)于此測(cè)試，我們將使用更簡(jiǎn)單的設(shè)置來(lái)測(cè)量LED上的電壓時(shí)LED上的電壓。

*計(jì)算機(jī)使用數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)和傳輸信息。這是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)更易于檢測(cè)且更可靠，因?yàn)槲覀儽仨殦?dān)心的是信號(hào)與否，而不必?fù)?dān)心信號(hào)的質(zhì)量/準(zhǔn)確性。

**要在數(shù)字設(shè)備上讀取模擬信號(hào)，我們必須使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC轉(zhuǎn)換器，它通過(guò)將輸入與已知輸入進(jìn)行比較來(lái)近似模擬信號(hào)設(shè)備上的電壓，然后計(jì)算達(dá)到輸入電壓所需的時(shí)間。有關(guān)詳細(xì)信息，這是一個(gè)有用的網(wǎng)站。

步驟10：項(xiàng)目3：LED作為光傳感器！

抓住LED（白色以外的任何顏色），100歐姆電阻和2根跨接電纜。哦，還有面包板！

步驟1：將LED插入面包板，右側(cè)有較長(zhǎng)的腿。

步驟2 ：連接Arduino模擬引腳A0的跳線和較長(zhǎng)的LED支腳。

步驟3：在較短的LED支腳和面包板負(fù)電源導(dǎo)軌之間連接電阻（藍(lán)線旁邊）。

步驟4：將Arduino GND引腳連接到面包板上的負(fù)電源軌。

步驟5：編寫一個(gè)讀入的草圖模擬引腳A0并打印到串行監(jiān)視器！

以下是啟動(dòng)ya的示例代碼。

步驟11：可視化數(shù)據(jù)：Arduino IDE！

Arduino IDE附帶內(nèi)置工具來(lái)可視化數(shù)據(jù)。我們已經(jīng)探索了串行監(jiān)視器的基礎(chǔ)知識(shí)，它允許我們打印傳感器值。 如果您想保存和分析數(shù)據(jù)，直接從串行監(jiān)視器復(fù)制輸出并粘貼到文本編輯器，電子表格或其他數(shù)據(jù)分析工具中。

我們可以用來(lái)查看Arduino程序中的數(shù)據(jù)的第二個(gè)工具是串行繪圖儀，串行監(jiān)視器的可視版本（又稱圖形）。 要使用Serial Llotter，請(qǐng)轉(zhuǎn)到Tools - 》 Serial Plotter。 照片2中的圖表是項(xiàng)目3中LED作為光傳感器的輸出！*

該圖將自動(dòng)縮放并作為只要您對(duì)傳感器使用Serial.println（），它也會(huì)以不同顏色打印所有傳感器。萬(wàn)歲！就是這樣！

*如果你看一下，有一個(gè)非常有趣的波浪模式，可能是由于我們的頭燈中的交流電（“AC”）！

第12步：可視化數(shù)據(jù)：Excel！第1部分

對(duì)于更嚴(yán)肅的數(shù)據(jù)分析，有一個(gè)超酷（并且免費(fèi)！）Excel的加載項(xiàng)稱為 Data Streamer *，。

這個(gè)加載項(xiàng)從串口讀取，所以我們可以使用完全相同的編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)打印到串口，直接將數(shù)據(jù)輸入Excel 。.哎呀！

如何使用Data Streamer加載項(xiàng)：

1。 一旦安裝完畢（或者如果你有O365），點(diǎn)擊Excel中的Data Streamer標(biāo)簽（最右邊）。

2。 插入Arduino并點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，，然后從下拉菜單中選擇Arduino。（照片1）

第3。單擊“開(kāi)始數(shù)據(jù)”開(kāi)始數(shù)據(jù)收集！ （照片2）您會(huì)看到三張新紙張打開(kāi)：“數(shù)據(jù)輸入”，“數(shù)據(jù)輸出”和“設(shè)置”。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打印在數(shù)據(jù)輸入表中。 （照片3）每行對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器讀數(shù)，最新值打印在最后一行。

默認(rèn)情況下，我們只獲得15行數(shù)據(jù)，但您可以通過(guò)轉(zhuǎn)到“設(shè)置”來(lái)更改此行。我們最多可以收集500行（限制是由于Excel帶寬 - 背景中發(fā)生了很多事情！）。

*完全披露：雖然本教程不隸屬于我，但我確實(shí)工作w/開(kāi)發(fā)此插件的Microsoft Hacking STEM團(tuán)隊(duì)。

步驟13：可視化數(shù)據(jù)：Excel！第2部分

4。添加數(shù)據(jù)圖！做一些數(shù)據(jù)分析！

散點(diǎn)圖顯示傳感器讀數(shù)如何隨時(shí)間變化，這與我們?cè)贏rduino串行繪圖儀中看到的相同。

添加散點(diǎn)圖：

轉(zhuǎn)到“插入” - 》“圖表” - 》“散點(diǎn)”。彈出繪圖后，右鍵單擊它并選擇“選擇數(shù)據(jù)”，然后選擇“添加”。我們希望我們的數(shù)據(jù)顯示在y軸上，x軸上帶有“time”*。為此，請(qǐng)單擊 y軸旁邊的箭頭，轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)輸入表，然后選擇所有傳入的傳感器數(shù)據(jù)（照片2）。

我們也可以在Excel中進(jìn)行計(jì)算和比較！要編寫公式，單擊一個(gè)空單元格并鍵入等號(hào)（“=”），然后執(zhí)行您要執(zhí)行的計(jì)算。有很多內(nèi)置命令，如平均值，最大值和最小值。

要使用命令，鍵入等號(hào)，命令名稱和左括號(hào)，然后選擇要分析的數(shù)據(jù)并關(guān)閉括號(hào)（照片3）

5。要發(fā)送多列數(shù)據(jù)（AKA多個(gè)傳感器），請(qǐng)?jiān)诙禾?hào)分隔的同一行上打印值，最后一行為空行，如下所示：

Serial.print（sensorReading1）;

Serial.print（“，”）;

Serial.print（sensorReading2）;

Serial.print（“，”）;

Serial.println（）;

*如果希望實(shí)際時(shí)間在x軸上，請(qǐng)?jiān)凇皵?shù)據(jù)輸入”表中的“A列”中為散點(diǎn)圖中的x軸值選擇時(shí)間戳。無(wú)論哪種方式，我們都會(huì)看到我們的數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移而變化。

第14步：進(jìn)行測(cè)量并測(cè)量所有事情！！