雙語報讀電子指針模數雙顯多用演示表

徐福成

問題的提出

我校教師在物理教學中講解楞次定律的時候，常使用實驗室現有的大、小兩種靈敏電流計進行演示。演示時常會發現，使用小型靈敏電流計演示電磁感應時，指針偏轉幅度較大，但是在講臺上演示，后面的學生看不清楚指針；而使用儀表盤較大的靈敏電流計演示時，指針偏轉幅度又比較小，學生看不出電磁感應的效果。對此教師只能解釋說：由于大型靈敏電流計的指針很長、質量較大，轉動起來需要一定的能量，故指針轉動的幅度不大。

演示2個線圈之間電磁感應的時候，在原線圈通電和斷開瞬間，閉合的副線圈產生感生電流的實驗很難成功，所以老師在課堂上只是描述一下實驗過程，而不進行實際的實驗操作。

針對上述問題，我設計了一種演示電表——雙語報讀電子指針模數雙顯多用演示表。它具備以下實用功能。

◇使用電子指針代替機械指針，保持大表盤便于學生觀看；

◇利用電子指針的電子電路，提高儀表的靈敏度，改善靈敏電流演示效果；

◇發光的電子指針比機械指針增加了觀察距離；

◇語音報讀演示數據，學生眼耳并用，提高學習效率；

◇一表多用，節省實驗器材成本，彌補了教育經費的不足，提高了設備利用率。

制訂方案

為了克服大表盤指針質量過大問題，初步設計了以下2種方案。

◇在原來儀表上增加一個放大電路，將儀表線圈產生的感生電流放大后，推動較大的機械式演示電表指針轉動。

◇使用電子指針代替機械式儀表的指針，單片機根據AD轉換所獲得的數據，點亮“指針”軌跡不同位置上的發光二極管，用點亮的發光二極管指示機械式指針的針尖所在位置。由于電子線路驅動發光二極管發光無須克服指針的慣性，即可解決機械式指針存在的問題。

根據分析比較，確定使用第2方案，并且在第2方案的基礎上，使演示電表既可測量電流，也可測量電壓，實現了一表多用。

研究過程與說明

研究方案確定以后，按照方案進行電路設計。我使用單片機組成最小控制系統，利用單片機的AD轉換功能，直接對模擬信號轉換。電路中采用了飛利浦公司的P89LPC925單片機。原理框圖如圖1所示。

測量電流或電壓時，由擋位切換開關通過1個繼電器的吸合和釋放自動實現工作電路的切換。擋位開關是1個雙刀6擲開關，開關在切換擋位的同時，接通不同的發光二極管，通過點亮不同的發光二極管，表示當前不同的測量擋位。

單片機每隔5ms讀取一次AD轉換數據，當讀取的數據發生變化時，將經過處理的數據送到數碼管驅動電路驅動數碼管顯示，通過LED驅動電路點亮與被測電量相對應的LED發光，并打開語音電路的電源開關，向語音電路發送語音指令，語音電路即報讀當前測量的數據和被測量的單位。

演示表的前面板如圖2所示。

學生使用或參觀此演示表時，都表現出濃厚的興趣。見圖3、圖4。

創新點

◇電子指針儀表與機械式儀表比較，克服了指針質量對偏轉幅度的影響。演示電表設置的電子線路使用運算放大器放大被測電量，靈敏度可以大幅度提高。

◇一表多用：電子指針演示表不但可以測試靈敏電流，而且有多擋位、多量程，同時可以測試較大電流和較高電壓。

◇數字化顯示：在測量電流和電壓的模式中，不但電子指針可以指示被測量，另有2組數碼管顯示被測數據，便于讀取測量結果且精度高，測量結果保留2位小數。

◇雙面顯示：課堂演示過程中，即使教師位于儀表的后方，同樣可以看到被測電流或電壓的實際數據，為教師觀看測量結果提供了方便。

◇語音報讀：當被測數據更新后，語音電路驅動揚聲器發出當前被測電量的數據和被測電量的單位，即便學生坐在教室最后一排座位，或此時正在低頭做筆記，都能準確聽到當前的測量結果。

◇中英雙語報讀，提高了儀表的使用范圍。

◇由于儀表靈敏度的提高，演示嵌套的2個線圈之間的電磁感應實驗已經成為可能，解決了副線圈產生感生電流實驗無法演示的難題。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科技發明類一等獎。