傳感器在生活中的應(yīng)用

方博陽(yáng)　詹育敏　麥梓超　李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東　廣州　510006)

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傳感器在生活中的應(yīng)用

方博陽(yáng)詹育敏麥梓超李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東廣州510006)

傳感器不僅是涉及物理知識(shí),同時(shí)也涉及一定層面的技術(shù)類知識(shí),然而現(xiàn)實(shí)的教學(xué)過程中這部分內(nèi)容缺乏實(shí)驗(yàn)演示,筆者設(shè)計(jì)了一套適合于教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示的自制教具,輔助這一部分知識(shí)內(nèi)容的教學(xué).

傳感器;生活;應(yīng)用

關(guān)于傳感器這部分內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生“知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義,通過實(shí)驗(yàn),知道常見傳感器的工作原理”,尤其突出讓學(xué)生了解傳感器在生活中的具體應(yīng)用.然而,在一項(xiàng)對(duì)蘇州地區(qū)四所不同學(xué)校物理老師關(guān)于傳感器教學(xué)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn):“大多數(shù)教師在新授課時(shí)很少或不做演示實(shí)驗(yàn),而僅僅是停留在講解上,但也基本都贊同如進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的理解會(huì)有幫助”,調(diào)查還表明“學(xué)生對(duì)這一章內(nèi)容掌握的比較薄弱的還是在技術(shù)和方法的應(yīng)用上”.

筆者選取了家居生活中幾種典型的傳感器模塊,設(shè)計(jì)出利于教學(xué)演示的傳感器教具*注：本教具榮獲2015年第七屆“優(yōu)利德杯”全國(guó)大學(xué)生與研究生自制教具展評(píng)一等獎(jiǎng).(如圖1).此外,運(yùn)用光電傳感器設(shè)計(jì)了一套逐日太陽(yáng)能照明系統(tǒng),學(xué)生體會(huì)到科學(xué)的魅力之時(shí),增進(jìn)了對(duì)傳感器知識(shí)的理解,創(chuàng)造性思維也得到了訓(xùn)練.

圖1

1　煙霧報(bào)警器

1.1主要元器件

煙霧傳感器MQ-2，50kΩ電位器，1kΩ電阻，9013型晶體三極管，JRC-4100F5V型繼電器，指示燈，“5V0.30A”小風(fēng)扇，高分貝蜂鳴器.

1.2實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示，當(dāng)環(huán)境煙霧濃度升高時(shí),煙霧傳感器MQ-2的電導(dǎo)率隨之變大,用轉(zhuǎn)換電路可將電導(dǎo)率變化量轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)觸發(fā)繼電器工作,接通蜂鳴器報(bào)警,同時(shí)排氣扇工作.

圖2

1.3實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象

(1) 按電路圖焊接好相應(yīng)的元器件后,接通電源,正常情況下電磁繼電器開關(guān)處于常閉狀態(tài),煙霧報(bào)警器正常指示燈發(fā)亮;

(2) 點(diǎn)燃蚊香并讓煙霧彌漫在煙霧傳感器四周,當(dāng)煙霧達(dá)到一定濃度時(shí),傳感器輸出相對(duì)應(yīng)電學(xué)量信號(hào),驅(qū)使電磁繼電器吸合開關(guān),正常指示燈熄滅,蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲,同時(shí)排氣扇開始工作;

(3) 直至煙霧濃度降低到一定程度,或人為解除報(bào)警信號(hào),蜂鳴器和排氣扇才停止工作,指示燈恢復(fù)正常.

2　溫度控制器

2.1主要元器件

阻值1kΩ的電阻，熱敏電阻，綠色發(fā)光二級(jí)管，兩位數(shù)碼管，arduino單片機(jī)

2.2實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3所示，溫控裝置使用的傳感器是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC),溫度越高其電阻值越低,在一定范圍內(nèi)電阻值與溫度成反比關(guān)系.

圖3

2.3實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象

(1) 接通電源,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),熱敏電阻阻值發(fā)生變化,A點(diǎn)電位隨之變化,單片機(jī)通過A0腳檢測(cè)其電位變化,計(jì)算此時(shí)的室溫,并利用數(shù)碼管顯示出來;

(2) 使用吹風(fēng)機(jī)吹熱風(fēng)使周圍環(huán)境溫度升高,熱敏電阻檢測(cè)到室溫達(dá)到40℃時(shí),單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬空調(diào)電路啟動(dòng),表現(xiàn)為指示燈亮;

(3) 當(dāng)環(huán)境溫度降到40℃以下時(shí),模擬空凋電路停止工作,表現(xiàn)為指示燈熄滅.

3　樓梯聲控?zé)?/h2>

3.1主要元器件

聲音傳感器，光敏電阻，小燈泡，arduino單片機(jī)，阻值1kΩ的電阻，電磁繼電器.

3.2實(shí)驗(yàn)原理

聲控?zé)粝到y(tǒng)包含兩種傳感器,即光電傳感器(光敏電阻)和聲音傳感器(話筒).

實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示，光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光導(dǎo)效應(yīng)制成的,其電阻隨著入射光增強(qiáng)而減小,由此光學(xué)量便可轉(zhuǎn)化為電學(xué)量了.而話筒的膜片接收到聲波后引起振動(dòng),導(dǎo)致連接在膜片上的線圈在永磁體的磁場(chǎng)里跟著一起振動(dòng),從而產(chǎn)生感應(yīng)電流.

圖4

3.3實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象

(1) 接通電源,當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到周圍環(huán)境光照充足時(shí),單片機(jī)A1腳輸入的是低電平,電磁繼電器開關(guān)處于常閉狀態(tài),燈泡不亮;

(2) 用黑色蓋子蓋住光敏電阻,此時(shí)光敏電阻檢測(cè)到光照不足,單片機(jī)A1腳輸入高電平,這時(shí),話筒將檢測(cè)環(huán)境中的聲音強(qiáng)度,并將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電學(xué)量信號(hào)輸入單片機(jī)A2腳,如果聲音強(qiáng)度比較弱,則A2腳輸出低電平,燈泡未被接通無法發(fā)光;

(3) 如果聲音強(qiáng)度達(dá)到一定分貝值,則A2腳輸入的是高電平,D2腳輸出高電平驅(qū)使電磁繼電器開關(guān)吸合,從而接通照明電路,燈泡發(fā)光;

(4) 同時(shí),利用單片機(jī)程序設(shè)定燈泡發(fā)光，5秒后自動(dòng)熄滅,等待進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài).

4　逐日太陽(yáng)能照明系統(tǒng)

4.1主要元器件

12V太陽(yáng)能電池板，兩塊硅光電池，電流放大模塊，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，STM32單片機(jī)，太陽(yáng)能充放電控制器，蓄電池，LED燈.

4.2實(shí)驗(yàn)原理

整個(gè)裝置的控制流程圖如圖5所示.本套裝置用到的傳感器是硅光電池,硅光電池利用光伏效應(yīng)將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量.光伏效應(yīng)是半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)材料內(nèi)部的電荷重新分布而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng).輸出電流和接受光線總能量呈線性關(guān)系,同一時(shí)刻光強(qiáng)變化不大時(shí),

輸出電流與硅光電池接收到光照的絕對(duì)面積成線性關(guān)系.

圖5

本裝置設(shè)計(jì)了由兩塊普通硅光電池組成的圓筒式光電傳感器.兩塊硅光電池沿東西方向并排固定在太陽(yáng)能電池板上,圓筒用來遮擋外部的太陽(yáng)光,圓筒頂部不封閉.當(dāng)太陽(yáng)光垂直地照射在硅光電池上時(shí)(即垂直照射在太陽(yáng)能電池板上),太陽(yáng)光斑在兩塊硅光電池上的面積分布是相同的,因此兩塊硅光電池的輸出電流相同;當(dāng)太陽(yáng)光以一定的角度照射在硅光電池上時(shí),由于圓筒的遮擋,兩塊硅光電池上的光斑面積不同,因此輸出電流不同.STM32單片機(jī)通過比較兩個(gè)電流的大小來判斷太陽(yáng)所在的位置,從而控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng),直至電池板與太陽(yáng)光垂直,從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤.

用太陽(yáng)能控制器檢測(cè)太陽(yáng)能電池板兩端電壓U1和蓄電池電壓U2,當(dāng)白天光照較強(qiáng)時(shí),有U1>U2,

此時(shí)若電池未被充滿,則開始進(jìn)行充電.

當(dāng)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向“西邊”時(shí),若單片機(jī)檢測(cè)到硅光電池的輸出電流很小,即周圍光照很弱時(shí),太陽(yáng)能控制器便控制蓄電池將白天存儲(chǔ)在蓄電池中的電量供LED燈使用,LED燈發(fā)亮.同時(shí),單片機(jī)控制太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)回東邊.

4.3實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象

(1) 接通電源,用強(qiáng)光手電筒(模擬太陽(yáng)光)照射太陽(yáng)能電池板和圓筒,往東(或西)轉(zhuǎn)動(dòng)光束,可以看到太陽(yáng)能電池板跟著光束向東(西)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤;

(2) 此時(shí),太陽(yáng)能通過硅光電池轉(zhuǎn)化為電能存貯在蓄電池中;

(3) 當(dāng)轉(zhuǎn)到西邊時(shí),用蓋子蓋住圓筒模擬黑夜,可以看到LED燈發(fā)亮,同時(shí)太陽(yáng)能電池板自動(dòng)轉(zhuǎn)回東邊.

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.全日制普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))[M].北京:人民教育出版社,2003.

[2] 曹文杰.高中物理教材傳感器內(nèi)容的教學(xué)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué),2011:43-64.

[3] 李敏,劉京誠(chéng),劉俊,任松林,王福權(quán).一種新型的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置[J].電子器件,2008,31(5).

[4] 張磊,鄭喜貴.高精度太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36(3).