傳感器在生活中的應用

方博陽　詹育敏　麥梓超　李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東　廣州　510006)

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傳感器在生活中的應用

方博陽詹育敏麥梓超李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東廣州510006)

傳感器不僅是涉及物理知識,同時也涉及一定層面的技術類知識,然而現實的教學過程中這部分內容缺乏實驗演示,筆者設計了一套適合于教學實驗演示的自制教具,輔助這一部分知識內容的教學.

傳感器;生活;應用

關于傳感器這部分內容，課程標準要求學生“知道非電學量轉換成電學量的技術意義,通過實驗,知道常見傳感器的工作原理”,尤其突出讓學生了解傳感器在生活中的具體應用.然而,在一項對蘇州地區四所不同學校物理老師關于傳感器教學的調查中發現:“大多數教師在新授課時很少或不做演示實驗,而僅僅是停留在講解上,但也基本都贊同如進行演示實驗對學生的理解會有幫助”,調查還表明“學生對這一章內容掌握的比較薄弱的還是在技術和方法的應用上”.

筆者選取了家居生活中幾種典型的傳感器模塊,設計出利于教學演示的傳感器教具*注：本教具榮獲2015年第七屆“優利德杯”全國大學生與研究生自制教具展評一等獎.(如圖1).此外,運用光電傳感器設計了一套逐日太陽能照明系統,學生體會到科學的魅力之時,增進了對傳感器知識的理解,創造性思維也得到了訓練.

圖1

1　煙霧報警器

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”小風扇，高分貝蜂鳴器.

1.2實驗原理

實驗電路如圖2所示，當環境煙霧濃度升高時,煙霧傳感器MQ-2的電導率隨之變大,用轉換電路可將電導率變化量轉換為相對應的輸出信號觸發繼電器工作,接通蜂鳴器報警,同時排氣扇工作.

圖2

1.3實驗過程與現象

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

(2) 點燃蚊香并讓煙霧彌漫在煙霧傳感器四周,當煙霧達到一定濃度時,傳感器輸出相對應電學量信號,驅使電磁繼電器吸合開關,正常指示燈熄滅,蜂鳴器發出報警聲,同時排氣扇開始工作;

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

2　溫度控制器

2.1主要元器件

阻值1kΩ的電阻，熱敏電阻，綠色發光二級管，兩位數碼管，arduino單片機

2.2實驗原理

實驗電路圖如圖3所示，溫控裝置使用的傳感器是負溫度系數熱敏電阻器(NTC),溫度越高其電阻值越低,在一定范圍內電阻值與溫度成反比關系.

圖3

2.3實驗過程與現象

(1) 接通電源,當環境溫度變化時,熱敏電阻阻值發生變化,A點電位隨之變化,單片機通過A0腳檢測其電位變化,計算此時的室溫,并利用數碼管顯示出來;

(2) 使用吹風機吹熱風使周圍環境溫度升高,熱敏電阻檢測到室溫達到40℃時,單片機驅動模擬空調電路啟動,表現為指示燈亮;

(3) 當環境溫度降到40℃以下時,模擬空凋電路停止工作,表現為指示燈熄滅.

3　樓梯聲控燈

3.1主要元器件

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

3.2實驗原理

聲控燈系統包含兩種傳感器,即光電傳感器(光敏電阻)和聲音傳感器(話筒).

實驗電路如圖4所示，光敏電阻是利用半導體的光導效應制成的,其電阻隨著入射光增強而減小,由此光學量便可轉化為電學量了.而話筒的膜片接收到聲波后引起振動,導致連接在膜片上的線圈在永磁體的磁場里跟著一起振動,從而產生感應電流.

圖4

3.3實驗過程和現象

(1) 接通電源,當光敏電阻檢測到周圍環境光照充足時,單片機A1腳輸入的是低電平,電磁繼電器開關處于常閉狀態,燈泡不亮;

(2) 用黑色蓋子蓋住光敏電阻,此時光敏電阻檢測到光照不足,單片機A1腳輸入高電平,這時,話筒將檢測環境中的聲音強度,并將聲音信號轉化為電學量信號輸入單片機A2腳,如果聲音強度比較弱,則A2腳輸出低電平,燈泡未被接通無法發光;

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

(4) 同時,利用單片機程序設定燈泡發光，5秒后自動熄滅,等待進入下一個工作狀態.

4　逐日太陽能照明系統

4.1主要元器件

12V太陽能電池板，兩塊硅光電池，電流放大模塊，步進電機及驅動器，STM32單片機，太陽能充放電控制器，蓄電池，LED燈.

4.2實驗原理

整個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將非電學量轉化為電學量.光伏效應是半導體材料受到光照時材料內部的電荷重新分布而產生電動勢和電流的一種效應.輸出電流和接受光線總能量呈線性關系,同一時刻光強變化不大時,

輸出電流與硅光電池接收到光照的絕對面積成線性關系.

圖5

本裝置設計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能電池板上,圓筒用來遮擋外部的太陽光,圓筒頂部不封閉.當太陽光垂直地照射在硅光電池上時(即垂直照射在太陽能電池板上),太陽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;當太陽光以一定的角度照射在硅光電池上時,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單片機通過比較兩個電流的大小來判斷太陽所在的位置,從而控制步進電機帶動太陽能電池板轉動,直至電池板與太陽光垂直,從而實現太陽光自動跟蹤.

用太陽能控制器檢測太陽能電池板兩端電壓U1和蓄電池電壓U2,當白天光照較強時,有U1>U2,

此時若電池未被充滿,則開始進行充電.

當太陽能電池板轉向“西邊”時,若單片機檢測到硅光電池的輸出電流很小,即周圍光照很弱時,太陽能控制器便控制蓄電池將白天存儲在蓄電池中的電量供LED燈使用,LED燈發亮.同時,單片機控制太陽能電池板轉回東邊.

4.3實驗過程和現象

(1) 接通電源,用強光手電筒(模擬太陽光)照射太陽能電池板和圓筒,往東(或西)轉動光束,可以看到太陽能電池板跟著光束向東(西)轉動,實現太陽光自動跟蹤;

(2) 此時,太陽能通過硅光電池轉化為電能存貯在蓄電池中;

(3) 當轉到西邊時,用蓋子蓋住圓筒模擬黑夜,可以看到LED燈發亮,同時太陽能電池板自動轉回東邊.

[1] 中華人民共和國教育部.全日制普通高中物理課程標準(實驗)[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容的教學研究[D].蘇州：蘇州大學,2011:43-64.

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

[4] 張磊,鄭喜貴.高精度太陽能自動跟蹤裝置的研制[J].制造業自動化,2014,36(3).