半導(dǎo)體聲光電應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究裝置

江蘇省東臺(tái)市安豐中學(xué)

楊張明 朱嘉瑤 王曄洋

高中物理、通用技術(shù)教材中傳感器應(yīng)用實(shí)例較多，生活傳感器和教學(xué)傳感器應(yīng)用非常廣泛，老師教授這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生對(duì)此興趣很濃。

物理教學(xué)中，缺少系列半導(dǎo)體傳感器聲光電應(yīng)用數(shù)字化研究平臺(tái)，學(xué)生對(duì)研究各種傳感器輸出的高、低電平信號(hào)，把模擬量變?yōu)閿?shù)字量等問題特別感興趣，但尚未有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)器材來演示這種變化信號(hào)。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了半導(dǎo)體聲光電應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究裝置。

本裝置分為四個(gè)部分。第一部分可演示光電計(jì)數(shù)、光電信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)智能控制聲光電效果，且單片機(jī)可脫離電腦編輯、修改程序，演示教學(xué)機(jī)器人的編程原理。

第二部分可演示電感傳感器、電容傳感器、紅外傳感器智能開燈和手動(dòng)關(guān)燈，實(shí)現(xiàn)一燈多控，解決樓道照明燈只能智能開燈、不能隨時(shí)人工關(guān)燈的缺陷。

第三部分可演示利用霍爾效應(yīng)傳感器演示與門、或門邏輯電路工作原理，利用電壓傳感器測(cè)量高、低觸發(fā)電平。

第四部分可進(jìn)行半導(dǎo)體聲光電耦合數(shù)字化對(duì)比分析研究。

一、工作原理

各種傳感器工作時(shí)，把紅外信號(hào)、磁場(chǎng)信號(hào)、光信號(hào)、聲信號(hào)、位移的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，單片機(jī)接收并處理輸入的脈沖信號(hào)后進(jìn)行智能控制。

如演示光電計(jì)數(shù)，包括正計(jì)數(shù)和倒計(jì)數(shù)；利用調(diào)制后的紅外信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)工作，開啟聲、光、電提示功能，實(shí)現(xiàn)智能控制，如開啟燈泡、馬達(dá)、語音電路等等。

二、研究過程

（一）基礎(chǔ)理論知識(shí)研究

1.查閱傳感器智能控制相關(guān)資料，撰寫查新報(bào)告。

2.研究各種傳感器的工作原理及電路參數(shù)。

3.研究2051單片機(jī)、觸發(fā)端口、編程方法。

（二）制作演示模型

1.購買制作作品需要的器材。

2.制作裝置底座及外殼，安裝12V及5V直流電源。

3.安裝遠(yuǎn)距離紅外光電傳感器（控制距離20m），連接12V直流電源，調(diào)試工作靈敏度，觀察繼電器閉合和開啟的情況。

4.安裝2051單片機(jī)、喇叭等，制作執(zhí)行機(jī)構(gòu)為馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)裝置。

（三）研究單片機(jī)編程語言

1.用C語言對(duì)2051單片機(jī)進(jìn)行編程，研究用數(shù)字代碼表示程序的方案。

2.研究脫離電腦、利用控制面板按鈕編程，使利用數(shù)字代碼獨(dú)立編程成為可能。

（四）功能拓展一

1.制作位移傳感器控制電路（包括電容傳感器和電感傳感器），實(shí)現(xiàn)利用電容傳感器、電感傳感器、人體紅外傳感器、機(jī)械門鈴按鈕開關(guān)進(jìn)行一燈多控，且既可以智能開、關(guān)燈，也可以手動(dòng)開、關(guān)燈。

2.制作利用多種傳感器排列組合進(jìn)行一燈多控，同時(shí)研究與門、或門等邏輯電路實(shí)現(xiàn)開啟LED燈的多種控制方法。

（五）功能拓展二

1.制作霍爾效應(yīng)傳感器的控制電路，演示門磁傳感器的工作原理，實(shí)現(xiàn)利用霍爾效應(yīng)傳感器演示與門、或門邏輯電路開啟LED燈的方法，通過語音提示門電路開啟狀態(tài)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)趣味。

2.利用霍爾效應(yīng)傳感器的控制電路，進(jìn)行高、低電平觸發(fā)開啟LED燈的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比通過電壓傳感器、指針式電壓表顯示高、低電平的優(yōu)、缺點(diǎn)，讓學(xué)生容易理解模擬量與數(shù)字量的含義。

（六）功能拓展三

研究半導(dǎo)體光電效應(yīng)，用MP3做信號(hào)源，利用半導(dǎo)體光電耦合器將聲音信號(hào)變成光信號(hào)，進(jìn)行聲-光-電-聲的轉(zhuǎn)換研究，研究聲波的波形特征、光電耦合電路的抗干擾性能以及光電耦合后的保真度。

將光電耦合電路板的輸入端與信號(hào)源MP3（或FM調(diào)頻收音機(jī)）連接，輸出端與功放電路連接。調(diào)節(jié)調(diào)頻收音機(jī)的音量或光電耦合器輸入端電源的電壓，使功放電路中的揚(yáng)聲器隨之變化，但不能失真；關(guān)閉光電耦合器輸入端電源的電壓，光電三極管無輸入信號(hào)，揚(yáng)聲器無聲。通過光電耦合實(shí)驗(yàn)研究光電耦合電路的抗干擾功能，實(shí)現(xiàn)聲-光-電-聲的轉(zhuǎn)換。

通過電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器采集光電耦合電路板輸入、輸出端的聲音信號(hào)波形圖并進(jìn)行對(duì)比分析，讓學(xué)生理解振動(dòng)波形圖的疊加原理。

三、使用方法

1.打開單片機(jī)總電源開關(guān)，演示遠(yuǎn)距離光電計(jì)數(shù)，模擬行人過街，演示正計(jì)數(shù)和倒計(jì)數(shù)。

2.啟動(dòng)單片機(jī)，演示光電信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)智能控制聲光電效果，且單片機(jī)可脫離電腦進(jìn)行編程和修改程序等。

3.各種傳感器把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，演示輸出的高、低電平信號(hào)，通過指針式電壓表或數(shù)字電壓表顯示傳感器輸出的電壓信號(hào)。

4.利用霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)非門高、低電平觸發(fā)，通過門磁電路實(shí)現(xiàn)利用語音電路智能提醒開門，利用傳感器演示與門、或門等邏輯電路控制原理。

5.用電感傳感器、電容傳感器、人體紅外傳感器、機(jī)械門鈴按鈕開關(guān)演示智能開燈和人工關(guān)燈，實(shí)現(xiàn)一燈多控，演示樓道照明燈只能智能開燈、不能人工關(guān)燈的缺陷，提出解決方法。

6.輸入MP3信號(hào)至半導(dǎo)體聲光電耦合電路，將兩組電壓傳感器接入光電耦合輸入、輸出端，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化分析研究。

本裝置集成度高，趣味性強(qiáng)，便于講解教學(xué)傳感器和生活傳感器的工作原理和實(shí)際應(yīng)用，適用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及高中通用技術(shù)選修課程智能控制教學(xué)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。