半導體聲光電應用數字化實驗研究裝置

江蘇省東臺市安豐中學

楊張明 朱嘉瑤 王曄洋

高中物理、通用技術教材中傳感器應用實例較多，生活傳感器和教學傳感器應用非常廣泛，老師教授這部分內容時，學生對此興趣很濃。

物理教學中，缺少系列半導體傳感器聲光電應用數字化研究平臺，學生對研究各種傳感器輸出的高、低電平信號，把模擬量變為數字量等問題特別感興趣，但尚未有現成的實驗器材來演示這種變化信號。于是，我們設計了半導體聲光電應用數字化實驗研究裝置。

本裝置分為四個部分。第一部分可演示光電計數、光電信號觸發單片機智能控制聲光電效果，且單片機可脫離電腦編輯、修改程序，演示教學機器人的編程原理。

第二部分可演示電感傳感器、電容傳感器、紅外傳感器智能開燈和手動關燈，實現一燈多控，解決樓道照明燈只能智能開燈、不能隨時人工關燈的缺陷。

第三部分可演示利用霍爾效應傳感器演示與門、或門邏輯電路工作原理，利用電壓傳感器測量高、低觸發電平。

第四部分可進行半導體聲光電耦合數字化對比分析研究。

一、工作原理

各種傳感器工作時，把紅外信號、磁場信號、光信號、聲信號、位移的變化轉化為電信號，單片機接收并處理輸入的脈沖信號后進行智能控制。

如演示光電計數，包括正計數和倒計數；利用調制后的紅外信號觸發單片機工作，開啟聲、光、電提示功能，實現智能控制，如開啟燈泡、馬達、語音電路等等。

二、研究過程

（一）基礎理論知識研究

1.查閱傳感器智能控制相關資料，撰寫查新報告。

2.研究各種傳感器的工作原理及電路參數。

3.研究2051單片機、觸發端口、編程方法。

（二）制作演示模型

1.購買制作作品需要的器材。

2.制作裝置底座及外殼，安裝12V及5V直流電源。

3.安裝遠距離紅外光電傳感器（控制距離20m），連接12V直流電源，調試工作靈敏度，觀察繼電器閉合和開啟的情況。

4.安裝2051單片機、喇叭等，制作執行機構為馬達的實驗裝置。

（三）研究單片機編程語言

1.用C語言對2051單片機進行編程，研究用數字代碼表示程序的方案。

2.研究脫離電腦、利用控制面板按鈕編程，使利用數字代碼獨立編程成為可能。

（四）功能拓展一

1.制作位移傳感器控制電路（包括電容傳感器和電感傳感器），實現利用電容傳感器、電感傳感器、人體紅外傳感器、機械門鈴按鈕開關進行一燈多控，且既可以智能開、關燈，也可以手動開、關燈。

2.制作利用多種傳感器排列組合進行一燈多控，同時研究與門、或門等邏輯電路實現開啟LED燈的多種控制方法。

（五）功能拓展二

1.制作霍爾效應傳感器的控制電路，演示門磁傳感器的工作原理，實現利用霍爾效應傳感器演示與門、或門邏輯電路開啟LED燈的方法，通過語音提示門電路開啟狀態，增強實驗趣味。

2.利用霍爾效應傳感器的控制電路，進行高、低電平觸發開啟LED燈的實驗，對比通過電壓傳感器、指針式電壓表顯示高、低電平的優、缺點，讓學生容易理解模擬量與數字量的含義。

（六）功能拓展三

研究半導體光電效應，用MP3做信號源，利用半導體光電耦合器將聲音信號變成光信號，進行聲-光-電-聲的轉換研究，研究聲波的波形特征、光電耦合電路的抗干擾性能以及光電耦合后的保真度。

將光電耦合電路板的輸入端與信號源MP3（或FM調頻收音機）連接，輸出端與功放電路連接。調節調頻收音機的音量或光電耦合器輸入端電源的電壓，使功放電路中的揚聲器隨之變化，但不能失真；關閉光電耦合器輸入端電源的電壓，光電三極管無輸入信號，揚聲器無聲。通過光電耦合實驗研究光電耦合電路的抗干擾功能，實現聲-光-電-聲的轉換。

通過電壓傳感器、數據采集器采集光電耦合電路板輸入、輸出端的聲音信號波形圖并進行對比分析，讓學生理解振動波形圖的疊加原理。

三、使用方法

1.打開單片機總電源開關，演示遠距離光電計數，模擬行人過街，演示正計數和倒計數。

2.啟動單片機，演示光電信號觸發單片機智能控制聲光電效果，且單片機可脫離電腦進行編程和修改程序等。

3.各種傳感器把模擬量變為數字量，演示輸出的高、低電平信號，通過指針式電壓表或數字電壓表顯示傳感器輸出的電壓信號。

4.利用霍爾效應傳感器實現非門高、低電平觸發，通過門磁電路實現利用語音電路智能提醒開門，利用傳感器演示與門、或門等邏輯電路控制原理。

5.用電感傳感器、電容傳感器、人體紅外傳感器、機械門鈴按鈕開關演示智能開燈和人工關燈，實現一燈多控，演示樓道照明燈只能智能開燈、不能人工關燈的缺陷，提出解決方法。

6.輸入MP3信號至半導體聲光電耦合電路，將兩組電壓傳感器接入光電耦合輸入、輸出端，對采集的信號進行數字化分析研究。

本裝置集成度高，趣味性強，便于講解教學傳感器和生活傳感器的工作原理和實際應用，適用于高中物理實驗教學及高中通用技術選修課程智能控制教學，具有較高的應用價值。