研制传感器演示仪培养学生实践能力

摘 要：光传感器实验演示x依据光传感器原理以及传感器在生活中的应用设计而成.系统分为供电模块、中央控制模块和用电模块.

关键词：传感器演示仪；实践能力

人教版普通物理课程标准实验教科书《物理选修3-2》中第六章第三节是研究传感器的应用.传感器与现代科技和现实生活有着非常密切的联系，结合国家创新创业教育，培养学生创新能力和实践能力.因此，传感器的应用是重要课程内容之一.光敏电阻、热敏电阻等传感器一方面在实际生活中应用非常多，另一方面直接讲授这些物理概念比较抽象、生硬和枯燥，而学生又缺少感性认识，理解困难.为了深化教育教学改革，努力培养青少年的动手能力和创新意识，笔者研制了“光传感器应用演示仪”，通过展示传感器在实际中的应用，调动学生的好奇心，既能见“物”，又能明“理”，激发科学探究的兴趣，努力培养学生理论联系实际的能力和动手能力，为成为具有创新能力的人才打下坚实的基础.

1 研制光传感器应用演示仪

1.1 实验原理图

本实验演示仪是综合前两节光传感器的原理以及调研光传感器在生活中的应用的基础上设计的，整个系统分为三个部分：供电模块；中央控制模块和用电模块.仪器原理框图如图1所示.

1.2 实验材料

电木板1块、太阳能电池板1块、二极管（1N4001）1个、充电电池（1.5V）4块、变压器220V转直流5V电源1个、红外光电传感器1个、MSP430单片机1块、220欧姆电阻2个、光敏电阻1个、LED灯2个、三向开关1个、NE555芯片1个、1M电位器1个、实验板2块、烙铁1把、焊锡1卷、导线若干.

1.3 实验原理

当太阳能电池板接受到一定的光照，会通过二极管将太阳光能转化为电能，储存在充电电池中，以备使用.当充电电池中有电时，三向开关拨向充电电池，利用此电能给整个系统供电，节能环保.当充电电池电压不足，三向开关拨向市电供电，利用变压器220V转直流5V给系统供电.

红外光电传感器，由于有无遮挡其光信号转换成电信号的电压输出值不同，当有遮挡时，输出电压是5V，无遮挡时，输出电压为零.根据此原理判断是否有人存在，并将电信号的输出值送给单片机.

光强度检测模块的电路原理图如图2所示，光敏电阻在光照强度不同时，其电阻值不同，所以通过光敏电阻把光学量转换为电学量.当光强度很强时，光敏电阻阻值较小，NE555芯片3脚输出低电平；当光强度很弱时，光敏电阻阻值较大，555芯片3脚输出高电平，并将电信号送至单片机.

中央控制单元的核心是单片机，根据接收红外光电传感器和光强度检测模块的电信号，控制用电系统的指示灯.只有光强度很暗同时红外线传感器检测有人，指示灯才会亮起.

2 制作方法

2.1 电路连接方式

制作的电路板是把导线直接固定在电木板上，教师演示时学生能够清晰地看到与实验原理图相对应的实物图如图3所示.这样的电路板要比经过转印、腐蚀等工序的现代制版工艺制成的电路板更直观、清晰，学生容易理解.

2.2 焊接电路

光强度检测模块以及供电模块需要焊接电路.在焊接过程中应该注意一定要共地，明确元器件的正负极，NE555的引脚图，电阻和电位器的值等.在焊接过程中：焊接前蘸涂助焊剂使烙铁头无氧化物，并在表面镀有一层焊锡，送入烙铁，送入焊锡，移开焊锡，移开烙铁的方向应该是大致45°的方向.焊接电路避免虚焊等问题.

3 光传感器演示仪实验过程与实际应用

演示实验时，引导学生首先要选择供电方式，介绍太阳能电池板，回顾光电效应.当充电电池电压满足供电需求时，本着节能的原则，要优先选用电池供电.否则使用市电供电.接下来要监测红外光电传感器的输出信号，此时可以让同学用手或身子挡在红外光电传感器前面，观测红外光电传感器输出信号情况.最后，监测光强度检测模块输出信号，在此复习光敏电阻的工作原理，并可以再一次测量光敏电阻有无光照时电阻的变化.然后请同学拉上窗帘使屋子变暗，或者直接用手捂住光敏电阻，使其接受外面的光强变弱，观测光强度检测模块输出信号情况.光传感器演示仪实验现象展示，经检测充电电池电压满足用电需求，将三向开关拨向充电电池供电，一位同学站在外光电传感器前面，用手遮住光敏电阻，此时灯泡发光，然后改变其中一个传感器的信号实验，观察灯泡的明暗，用作对比实验.

上述过程就是光控灯的原理.在光线较强的白天，不管楼道里有没有人经过，楼道里的灯都是不亮的，在夜里或阴雨天气时，楼道内的光线较弱，当有人经过时，走廊内的灯就会自动亮起来，为我们照明，节约能源.光传感器应用演示仪是居民楼楼道中智能灯的简易电路装置，贴近生活的实验，可以使学生更直观地理解知识，同时将课本上学到的知识运用到生活中，培养学生的创新能力、动手能力和实践能力.该电路中小灯泡的亮暗是由单片机进行控制，即单片机在这个电路中充当开关的角色.只有当红外光电传感器和光敏电阻传感器同时向单片机输入高电平时，单片机才能正常工作，即开关闭合，小灯泡才会发光.

4 实验装置的优缺点

本装置简单容易操作、灵敏度较高，在实际课堂教学中已经较好地达到了演示的效果，并能将所有的光传感器集成在一起.教师把抽象的物理过程，结合现实生活，用实物展示在学生面前，学生能亲身感受到传感器的工作原理，更有效地加强了学生对物理知识的学习与理解.但是从科技角度出发考虑该电路，光敏电阻对光变化敏感度虽然很高，但是光敏电阻收到的光强变化时，阻值仍达不到设计要求，为此，在电路中增加了一个电位调节器调节电路，但改进之后的电路复杂、抽象，学生不容易理解.

研制光传感器演示仪，源于生活，回归课本，培养学生的创新思维，提高学生的动手能力和实践能力，最终将所学知识再应用到生活中.