張兆豐+王聆語+劉淼+周子琪+顧吉林

摘 要：光傳感器實驗演示儀依據(jù)光傳感器原理以及傳感器在生活中的應用設計而成.系統(tǒng)分為供電模塊、中央控制模塊和用電模塊.

關鍵詞：傳感器演示儀；實踐能力

人教版普通物理課程標準實驗教科書《物理選修3-2》中第六章第三節(jié)是研究傳感器的應用.傳感器與現(xiàn)代科技和現(xiàn)實生活有著非常密切的聯(lián)系，結(jié)合國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力.因此，傳感器的應用是重要課程內(nèi)容之一.光敏電阻、熱敏電阻等傳感器一方面在實際生活中應用非常多，另一方面直接講授這些物理概念比較抽象、生硬和枯燥，而學生又缺少感性認識，理解困難.為了深化教育教學改革，努力培養(yǎng)青少年的動手能力和創(chuàng)新意識，筆者研制了“光傳感器應用演示儀”，通過展示傳感器在實際中的應用，調(diào)動學生的好奇心，既能見“物”，又能明“理”，激發(fā)科學探究的興趣，努力培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力和動手能力，為成為具有創(chuàng)新能力的人才打下堅實的基礎.

1 研制光傳感器應用演示儀

1.1 實驗原理圖

本實驗演示儀是綜合前兩節(jié)光傳感器的原理以及調(diào)研光傳感器在生活中的應用的基礎上設計的，整個系統(tǒng)分為三個部分：供電模塊；中央控制模塊和用電模塊.儀器原理框圖如圖1所示.

1.2 實驗材料

電木板1塊、太陽能電池板1塊、二極管（1N4001）1個、充電電池（1.5V）4塊、變壓器220V轉(zhuǎn)直流5V電源1個、紅外光電傳感器1個、MSP430單片機1塊、220歐姆電阻2個、光敏電阻1個、LED燈2個、三向開關1個、NE555芯片1個、1M電位器1個、實驗板2塊、烙鐵1把、焊錫1卷、導線若干.

1.3 實驗原理

當太陽能電池板接受到一定的光照，會通過二極管將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在充電電池中，以備使用.當充電電池中有電時，三向開關撥向充電電池，利用此電能給整個系統(tǒng)供電，節(jié)能環(huán)保.當充電電池電壓不足，三向開關撥向市電供電，利用變壓器220V轉(zhuǎn)直流5V給系統(tǒng)供電.

紅外光電傳感器，由于有無遮擋其光信號轉(zhuǎn)換成電信號的電壓輸出值不同，當有遮擋時，輸出電壓是5V，無遮擋時，輸出電壓為零.根據(jù)此原理判斷是否有人存在，并將電信號的輸出值送給單片機.

光強度檢測模塊的電路原理圖如圖2所示，光敏電阻在光照強度不同時，其電阻值不同，所以通過光敏電阻把光學量轉(zhuǎn)換為電學量.當光強度很強時，光敏電阻阻值較小，NE555芯片3腳輸出低電平；當光強度很弱時，光敏電阻阻值較大，555芯片3腳輸出高電平，并將電信號送至單片機.

中央控制單元的核心是單片機，根據(jù)接收紅外光電傳感器和光強度檢測模塊的電信號，控制用電系統(tǒng)的指示燈.只有光強度很暗同時紅外線傳感器檢測有人，指示燈才會亮起.

2 制作方法

2.1 電路連接方式

制作的電路板是把導線直接固定在電木板上，教師演示時學生能夠清晰地看到與實驗原理圖相對應的實物圖如圖3所示.這樣的電路板要比經(jīng)過轉(zhuǎn)印、腐蝕等工序的現(xiàn)代制版工藝制成的電路板更直觀、清晰，學生容易理解.

2.2 焊接電路

光強度檢測模塊以及供電模塊需要焊接電路.在焊接過程中應該注意一定要共地，明確元器件的正負極，NE555的引腳圖，電阻和電位器的值等.在焊接過程中：焊接前蘸涂助焊劑使烙鐵頭無氧化物，并在表面鍍有一層焊錫，送入烙鐵，送入焊錫，移開焊錫，移開烙鐵的方向應該是大致45°的方向.焊接電路避免虛焊等問題.

3 光傳感器演示儀實驗過程與實際應用

演示實驗時，引導學生首先要選擇供電方式，介紹太陽能電池板，回顧光電效應.當充電電池電壓滿足供電需求時，本著節(jié)能的原則，要優(yōu)先選用電池供電.否則使用市電供電.接下來要監(jiān)測紅外光電傳感器的輸出信號，此時可以讓同學用手或身子擋在紅外光電傳感器前面，觀測紅外光電傳感器輸出信號情況.最后，監(jiān)測光強度檢測模塊輸出信號，在此復習光敏電阻的工作原理，并可以再一次測量光敏電阻有無光照時電阻的變化.然后請同學拉上窗簾使屋子變暗，或者直接用手捂住光敏電阻，使其接受外面的光強變?nèi)酰^測光強度檢測模塊輸出信號情況.光傳感器演示儀實驗現(xiàn)象展示，經(jīng)檢測充電電池電壓滿足用電需求，將三向開關撥向充電電池供電，一位同學站在外光電傳感器前面，用手遮住光敏電阻，此時燈泡發(fā)光，然后改變其中一個傳感器的信號實驗，觀察燈泡的明暗，用作對比實驗.

上述過程就是光控燈的原理.在光線較強的白天，不管樓道里有沒有人經(jīng)過，樓道里的燈都是不亮的，在夜里或陰雨天氣時，樓道內(nèi)的光線較弱，當有人經(jīng)過時，走廊內(nèi)的燈就會自動亮起來，為我們照明，節(jié)約能源.光傳感器應用演示儀是居民樓樓道中智能燈的簡易電路裝置，貼近生活的實驗，可以使學生更直觀地理解知識，同時將課本上學到的知識運用到生活中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、動手能力和實踐能力.該電路中小燈泡的亮暗是由單片機進行控制，即單片機在這個電路中充當開關的角色.只有當紅外光電傳感器和光敏電阻傳感器同時向單片機輸入高電平時，單片機才能正常工作，即開關閉合，小燈泡才會發(fā)光.

4 實驗裝置的優(yōu)缺點

本裝置簡單容易操作、靈敏度較高，在實際課堂教學中已經(jīng)較好地達到了演示的效果，并能將所有的光傳感器集成在一起.教師把抽象的物理過程，結(jié)合現(xiàn)實生活，用實物展示在學生面前，學生能親身感受到傳感器的工作原理，更有效地加強了學生對物理知識的學習與理解.但是從科技角度出發(fā)考慮該電路，光敏電阻對光變化敏感度雖然很高，但是光敏電阻收到的光強變化時，阻值仍達不到設計要求，為此，在電路中增加了一個電位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電路，但改進之后的電路復雜、抽象，學生不容易理解.

研制光傳感器演示儀，源于生活，回歸課本，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學生的動手能力和實踐能力，最終將所學知識再應用到生活中.