利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

馬順存　曾心

摘 要：普通高中課程改革背景下，物理教師應(yīng)多圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)，創(chuàng)造性地開展教學(xué)活動，注重科學(xué)探究，尤其需要重視物理實驗.結(jié)合新教材教學(xué)背景下的實驗課程，根據(jù)傳感器教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計了自動控制裝置，并詳細介紹了該儀器的選材、制作以及操作過程，幫助學(xué)生提煉科學(xué)問題，提升探究能力，培養(yǎng)實踐意識，增強動手操作能力，進而促進學(xué)生的發(fā)展.

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué);傳感器;科學(xué)探究;自動控制

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0054-03

作者簡介：馬順存（1984-），男，湖南湘潭人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

物理教學(xué)不能僅以教材上的知識為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，這樣就會使得學(xué)生注重知識的獲取而忽視了能力和思維的培養(yǎng).為了增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題的探究能力，物理教學(xué)中需要注重物理實驗教學(xué).

人教版2019年版普通高中教科書（以下簡稱新教材）物理選擇性必修2第五章傳感器章節(jié)[1]，介紹了簡單傳感器的結(jié)構(gòu)、原理以及簡單的自動控制裝置.同時本章節(jié)中還對三極管的結(jié)構(gòu)、功能等進行了簡單介紹并利用三極管設(shè)計了光控開關(guān)電路，本章末以薄膜壓力傳感器和熱敏電阻作為課題研究的案例進一步將知識進行了拓展.該章節(jié)與2010年版普通高中教科書（以下簡稱舊教材）物理選修3-2第六章傳感器章節(jié)[2]相比，更加重視傳感器的應(yīng)用教學(xué).

2017 年版《普通高中物理課程標準》將“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”設(shè)為選修2中的必做實驗.但市面上還沒有具體的針對該內(nèi)容通用的中學(xué)物理教學(xué)儀器.因此，筆者自行設(shè)計制作了一套傳感器實驗儀器，將力、溫度、磁、紅外、聲控、光控、雙金屬片等集成到一個試教板上.

1 自制控制裝置的制作與使用

傳感器教學(xué)中，新教材介紹了干簧管、光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件等不同傳感器，但是市面上還沒有結(jié)合新教材開發(fā)的實驗儀器，教材中介紹的幾個實驗都是單獨分開來進行的，同時傳感器元件體積小，就會存在實驗過后出現(xiàn)大量元件丟失的現(xiàn)象，為了解決以上這些不足，筆者將教材中所有傳感器統(tǒng)一集成于一塊示教板上，統(tǒng)一通過傳感器來控制LED燈的亮滅，實驗操作方便，現(xiàn)象直觀明了.

1.1 制作材料及工具

亞克力板、亞克力膠、噴漆、白板筆、記號筆、勾刀、電鉆、電烙鐵、鱷魚夾、導(dǎo)線、接線柱、電阻、發(fā)光二極管、三極管、按鍵開關(guān)及傳感器元件等.

1.2 制作步驟

1.2.1 示教板的制作

（1）如圖1，用勾刀將亞克力板切割成300×400mm長方形;（2）根據(jù)電路設(shè)計圖用白板筆（可擦）在亞克力板上畫出電路圖，并標記出開關(guān)、接線柱等的安裝位置;（3）用電鉆在接線柱位置鉆Φ=4.5mm的孔，在按鍵開關(guān)位置鉆Φ=9.5mm的孔;（4）將亞克力板用白色噴漆均勻涂色;（5）待油漆干后，用記號筆在噴好漆的亞克力板上畫出電路圖;（6）在亞克力板背面（如圖2）距底部20mm處，用亞克力膠粘貼一塊60×250mm的亞克力板，并粘貼兩塊豎板及一塊橫板，起到在底板上安裝電池盒以及將亞克力板豎直放置時穩(wěn)定的支架作用;（7）安裝接線柱和按鍵開關(guān)，并按電路圖用電烙鐵將導(dǎo)線焊接牢固;（8）在背面底板上安裝電池盒;（9）接上LED燈，接入相應(yīng)的傳感器設(shè)備，接通電源，即可開始實驗.

1.2.2 幾種控制開關(guān)自動控制裝置的電路設(shè)計及實驗操作

（1）聲控開關(guān)自動控制裝置電路設(shè)計及實驗操作

聲控開關(guān)自動控制裝置是由聲光控制模塊改裝而成的，其聲控傳感器模塊的輸入電壓范圍為3-30V，當無光、聲音大于20分貝時有電壓輸出，輸出電壓等于輸入電壓.本實驗采用3V紐扣電池作為輸入電壓，將光敏電阻用電膠布做遮光處理.輸出端直接接上發(fā)光二極管即可實現(xiàn)聲控開關(guān)的功能.要將傳感器作為控制開關(guān)接入示教板，還需用三極管搭建電子開關(guān)，將聲控模塊的電壓輸出轉(zhuǎn)換為通斷輸出，電路圖如圖3所示.在聲控傳感器模塊輸出端接一個2.7kΩ定值電阻R1和一個S9014三極管Q1搭建通斷控制電路，定值電阻的作用是限制三極管基極電流Ib，防止過流燒毀三極管.當聲控傳感器輸出3V電壓時，通過R1流入三極管基極的電流Ib約為（3-0.7）V/2.7kΩ=0.85mA（0.7V為三極管基極—發(fā)射極電壓降）.根據(jù)S9014三極管的數(shù)據(jù)手冊，此時三極管進入飽和工作區(qū)，集電極—發(fā)射極（CE）間有固定電壓降約0.7V.接入示教板時，由于CE間分壓僅有0.7V，可以認為處于導(dǎo)通狀態(tài).當聲控傳感器輸出0V電壓時，流入三極管基極的電流Ib為零.三極管進入截止工作區(qū)，CE間流過的電流為零，等效為斷開狀態(tài).三極管的CE兩極作為控制電路的輸出端接紅黑兩接線柱.按照電路圖焊接成實物圖（如圖4）.

實驗操作：將紅黑鱷魚夾（三極管的CE極）分別接示教板紅黑接線柱，閉合兩個開關(guān).拍手，聲控開關(guān)模塊輸出電壓3V，三極管導(dǎo)通，顯示電路部分回路導(dǎo)通，二極管發(fā)光.40秒左右二極管自動熄滅.可重復(fù)多次實驗.實驗完畢，斷開開關(guān).

（2）溫控開關(guān)自動控制裝置電路設(shè)計及實驗操作

溫控開關(guān)自動控制裝置采用的是NTC熱敏電阻作為元件，其性質(zhì)是常溫時電阻約為11kΩ，當溫度大于70℃時，電阻急速減小為1.5kΩ左右.如果將熱敏直接接紅黑接線柱，與顯示電路形成回路，當溫度大于70℃時，二極管會發(fā)光，但是亮度太低.為使實驗現(xiàn)象更加明顯，筆者設(shè)計了圖5所示的實驗電路.圖6為實物電路圖.改進后的實驗電路使用NPN型三極管S9014作為電流放大器件，通過NTC阻值的變化控制LED電流產(chǎn)生亮度變化.R1、R2與NTC構(gòu)成分壓器，調(diào)節(jié)R1的阻值可使得常溫狀態(tài)下三極管基極電壓處于閾值電壓附近.此時三極管基極電流為0，恰好處于截止狀態(tài)，LED不發(fā)光.當NTC受熱阻值減小時，流入三極管基極的電流Ib增大.由于三極管的電流放大作用，集電極—發(fā)射極電流（ICE）將急劇增大，理論變化量為β倍（ICE≈βIb，S9014的電流放大倍數(shù)β約為300），LED迅速點亮且亮度較接入三極管前明顯提高.

實驗操作：將紅黑鱷魚夾（三極管的CE極）分別接紅黑接線柱，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)可變電阻R1，使得二極管處于剛好熄滅的狀態(tài)，實測此時R1的阻值為3.3kΩ，由于筆者手邊只有6.8kΩ的可變電阻，因此采用R1與R2串聯(lián)，這里的R1和R2可以用一個0-15kΩ或0-20kΩ的可變電阻代替.將熱敏電阻放入熱水中，電阻變小，三極管導(dǎo)通，二極管發(fā)光.溫度降低時，二極管熄滅.可重復(fù)多次實驗.實驗完畢，斷開開關(guān).

（3）磁感應(yīng)開關(guān)自動控制裝置電路設(shè)計及實驗操作

磁感應(yīng)開關(guān)自動控制裝置是采用霍爾開關(guān)作為元件制作而成.霍爾開關(guān)棕、藍兩根線需提供5-30V電壓，黑、藍兩線為傳感器輸出端.裝置電路圖如圖7，實物圖如圖8所示.

實驗操作：將紅黑鱷魚夾分別接紅黑接線柱，閉合兩開關(guān).將磁鐵靠近霍爾開關(guān)，二極管發(fā)光，將磁鐵遠離霍爾開關(guān)，二極管熄滅.可重復(fù)多次實驗.實驗完畢，關(guān)閉開關(guān).

（4）紅外感應(yīng)開關(guān)自動控制裝置電路設(shè)計

紅外感應(yīng)開關(guān)自動控制裝置是由人體紅外熱釋電傳感器改裝而成，電路圖如圖9所示，實物電路圖如圖10所示.其工作電壓是5V，本裝置采用兩節(jié)紐扣電池經(jīng)一個4007二極管降壓獲得約5V電壓給傳感器供電.當感應(yīng)到紅外信號時，藍線輸出高電壓，使得三極管導(dǎo)通，二極管發(fā)光.

實驗操作：將紅黑鱷魚夾（三極管的CE極）分別接紅黑接線柱，閉合兩開關(guān).傳感器感應(yīng)到人體紅外信號，三極管導(dǎo)通，二極管發(fā)光.用盒子將傳感器罩住，二極管熄滅.可重復(fù)多次實驗.實驗完畢，關(guān)閉開關(guān).

（5）壓力開關(guān)自動控制裝置電路設(shè)計及實驗操作

壓力開關(guān)自動控制裝置是由薄膜壓力傳感器（FSR）設(shè)計制作而成.正常無壓力情況下，薄膜壓力傳感器兩端的電阻為20kΩ，當用力大于0.2N按壓傳感器黑色部分時，傳感器兩端的電阻急劇減小，當力大于2N時，電阻變?yōu)?0kΩ以下，當力大于10N時，電阻變?yōu)?kΩ以下.直接將FSR接入示教板也可控制LED的亮度，但總體亮度較低，且隨力的變化LED燈的亮度變化不明顯.為使實驗現(xiàn)象更加明顯，對實驗電路進行了改進.改進后的裝置設(shè)計電路圖如圖11，實物圖如圖12.改進后的實驗電路使用NPN型三極管S9014作為電流放大器件，通過FSR阻值的變化控制LED電流產(chǎn)生亮度變化.FSR與R1的上臂并聯(lián)作為可調(diào)分壓器調(diào)節(jié)三極管基極電壓.調(diào)節(jié)電位器R1改變基極分壓比，可使FSR不受壓力作用時三極管恰好處于截止狀態(tài)，LED不發(fā)光.當FSR受壓力時，阻值減小，F(xiàn)SR與R1構(gòu)成的分壓器分壓比增大，流入三極管基極的電流Ib增大.由于三極管的電流放大效應(yīng)， LED迅速點亮且亮度較接入三極管前明顯提高.

實驗操作：將紅黑鱷魚夾（三極管的CE極）分別接紅黑接線柱，閉合兩開關(guān).調(diào)節(jié)R1可變電阻，使得二極管剛好處于熄滅的狀態(tài)，按壓薄膜壓力傳感器黑色部分，可發(fā)現(xiàn)當用力按時，二極管發(fā)光，力越大，亮度越大.不按壓時，二極管熄滅.可重復(fù)多次實驗.實驗完畢，斷開開關(guān).

另外，雙金屬片、干簧管和光敏電阻可以直接接入示教板紅黑接線柱進行實驗.

2 自動控制裝置的優(yōu)點

自動控制裝置由多個傳感器共同組合而成，克服了舊教材中分模塊探討其功能與應(yīng)用帶來的知識點混亂的不足，實現(xiàn)了新教材新課改下要求的知識與實踐的整合.有以下優(yōu)點：

（1）實驗儀器美觀且大方，排列整齊有序，可以幫助培養(yǎng)學(xué)生自己動手的能力，拓展發(fā)散思維和創(chuàng)新思維;

（2）實驗儀器將所學(xué)傳感器融為一體，且操作過程簡潔明了，不同的傳感器對應(yīng)不同的使用過程，讓學(xué)生可以親身感受每種元件的操作與價值;

（3）實驗儀器可以重復(fù)利用，其使用價值高，元件方便及時更換.

3 結(jié)束語

物理教學(xué)中，只有讓學(xué)生親身體驗過學(xué)習(xí)和探究的具體過程，才能真正做到學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升.傳感器作為高中物理實驗教學(xué)的重要課程，也作為新時代科技發(fā)展的重要研究領(lǐng)域，在教學(xué)過程中就更需要注重實驗的設(shè)計.該實驗裝置將物理教學(xué)從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)向了實驗教學(xué)，并通過創(chuàng)新性設(shè)計幫助學(xué)生，進一步提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，從而達到較好的教學(xué)效果.

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理（選擇性必修第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

（收稿日期：2020-10-29）