方博阳　詹育敏　麦梓超　李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东　广州　510006)



传感器在生活中的应用

方博阳詹育敏麦梓超李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006)

传感器不仅是涉及物理知识,同时也涉及一定层面的技术类知识,然而现实的教学过程中这部分内容缺乏实验演示,笔者设计了一套适合于教学实验演示的自制教具,辅助这一部分知识内容的教学.

传感器;生活;应用

关于传感器这部分内容，课程标准要求学生“知道非电学量转换成电学量的技术意义,通过实验,知道常见传感器的工作原理”,尤其突出让学生了解传感器在生活中的具体应用.然而,在一项对苏州地区四所不同学校物理老师关于传感器教学的调查中发现:“大多数教师在新授课时很少或不做演示实验,而仅仅是停留在讲解上,但也基本都赞同如进行演示实验对学生的理解会有帮助”,调查还表明“学生对这一章内容掌握的比较薄弱的还是在技术和方法的应用上”.

笔者选取了家居生活中几种典型的传感器模块,设计出利于教学演示的传感器教具*注：本教具荣获2015年第七届“优利德杯”全国大学生与研究生自制教具展评一等奖.(如图1).此外,运用光电传感器设计了一套逐日太阳能照明系统,学生体会到科学的魅力之时,增进了对传感器知识的理解,创造性思维也得到了训练.

图1

1　烟雾报警器

1.1主要元器件

烟雾传感器MQ-2，50kΩ电位器，1kΩ电阻，9013型晶体三极管，JRC-4100F5V型继电器，指示灯，“5V0.30A”小风扇，高分贝蜂鸣器.

1.2实验原理

实验电路如图2所示，当环境烟雾浓度升高时,烟雾传感器MQ-2的电导率随之变大,用转换电路可将电导率变化量转换为相对应的输出信号触发继电器工作,接通蜂鸣器报警,同时排气扇工作.

图2

1.3实验过程与现象

(1) 按电路图焊接好相应的元器件后,接通电源,正常情况下电磁继电器开关处于常闭状态,烟雾报警器正常指示灯发亮;

(2) 点燃蚊香并让烟雾弥漫在烟雾传感器四周,当烟雾达到一定浓度时,传感器输出相对应电学量信号,驱使电磁继电器吸合开关,正常指示灯熄灭,蜂鸣器发出报警声,同时排气扇开始工作;

(3) 直至烟雾浓度降低到一定程度,或人为解除报警信号,蜂鸣器和排气扇才停止工作,指示灯恢复正常.

2　温度控制器

2.1主要元器件

阻值1kΩ的电阻，热敏电阻，绿色发光二级管，两位数码管，arduino单片机

2.2实验原理

实验电路图如图3所示，温控装置使用的传感器是负温度系数热敏电阻器(NTC),温度越高其电阻值越低,在一定范围内电阻值与温度成反比关系.

图3

2.3实验过程与现象

(1) 接通电源,当环境温度变化时,热敏电阻阻值发生变化,A点电位随之变化,单片机通过A0脚检测其电位变化,计算此时的室温,并利用数码管显示出来;

(2) 使用吹风机吹热风使周围环境温度升高,热敏电阻检测到室温达到40℃时,单片机驱动模拟空调电路启动,表现为指示灯亮;

(3) 当环境温度降到40℃以下时,模拟空凋电路停止工作,表现为指示灯熄灭.

3　楼梯声控灯

3.1主要元器件

声音传感器，光敏电阻，小灯泡，arduino单片机，阻值1kΩ的电阻，电磁继电器.

3.2实验原理

声控灯系统包含两种传感器,即光电传感器(光敏电阻)和声音传感器(话筒).

实验电路如图4所示，光敏电阻是利用半导体的光导效应制成的,其电阻随着入射光增强而减小,由此光学量便可转化为电学量了.而话筒的膜片接收到声波后引起振动,导致连接在膜片上的线圈在永磁体的磁场里跟着一起振动,从而产生感应电流.

图4

3.3实验过程和现象

(1) 接通电源,当光敏电阻检测到周围环境光照充足时,单片机A1脚输入的是低电平,电磁继电器开关处于常闭状态,灯泡不亮;

(2) 用黑色盖子盖住光敏电阻,此时光敏电阻检测到光照不足,单片机A1脚输入高电平,这时,话筒将检测环境中的声音强度,并将声音信号转化为电学量信号输入单片机A2脚,如果声音强度比较弱,则A2脚输出低电平,灯泡未被接通无法发光;

(3) 如果声音强度达到一定分贝值,则A2脚输入的是高电平,D2脚输出高电平驱使电磁继电器开关吸合,从而接通照明电路,灯泡发光;

(4) 同时,利用单片机程序设定灯泡发光，5秒后自动熄灭,等待进入下一个工作状态.

4　逐日太阳能照明系统

4.1主要元器件

12V太阳能电池板，两块硅光电池，电流放大模块，步进电机及驱动器，STM32单片机，太阳能充放电控制器，蓄电池，LED灯.

4.2实验原理

整个装置的控制流程图如图5所示.本套装置用到的传感器是硅光电池,硅光电池利用光伏效应将非电学量转化为电学量.光伏效应是半导体材料受到光照时材料内部的电荷重新分布而产生电动势和电流的一种效应.输出电流和接受光线总能量呈线性关系,同一时刻光强变化不大时,

输出电流与硅光电池接收到光照的绝对面积成线性关系.

图5

本装置设计了由两块普通硅光电池组成的圆筒式光电传感器.两块硅光电池沿东西方向并排固定在太阳能电池板上,圆筒用来遮挡外部的太阳光,圆筒顶部不封闭.当太阳光垂直地照射在硅光电池上时(即垂直照射在太阳能电池板上),太阳光斑在两块硅光电池上的面积分布是相同的,因此两块硅光电池的输出电流相同;当太阳光以一定的角度照射在硅光电池上时,由于圆筒的遮挡,两块硅光电池上的光斑面积不同,因此输出电流不同.STM32单片机通过比较两个电流的大小来判断太阳所在的位置,从而控制步进电机带动太阳能电池板转动,直至电池板与太阳光垂直,从而实现太阳光自动跟踪.

用太阳能控制器检测太阳能电池板两端电压U1和蓄电池电压U2,当白天光照较强时,有U1>U2,

此时若电池未被充满,则开始进行充电.

当太阳能电池板转向“西边”时,若单片机检测到硅光电池的输出电流很小,即周围光照很弱时,太阳能控制器便控制蓄电池将白天存储在蓄电池中的电量供LED灯使用,LED灯发亮.同时,单片机控制太阳能电池板转回东边.

4.3实验过程和现象

(1) 接通电源,用强光手电筒(模拟太阳光)照射太阳能电池板和圆筒,往东(或西)转动光束,可以看到太阳能电池板跟着光束向东(西)转动,实现太阳光自动跟踪;

(2) 此时,太阳能通过硅光电池转化为电能存贮在蓄电池中;

(3) 当转到西边时,用盖子盖住圆筒模拟黑夜,可以看到LED灯发亮,同时太阳能电池板自动转回东边.

[1] 中华人民共和国教育部.全日制普通高中物理课程标准(实验)[M].北京:人民教育出版社,2003.

[2] 曹文杰.高中物理教材传感器内容的教学研究[D].苏州：苏州大学,2011:43-64.

[3] 李敏,刘京诚,刘俊,任松林,王福权.一种新型的太阳能自动跟踪装置[J].电子器件,2008,31(5).

[4] 张磊,郑喜贵.高精度太阳能自动跟踪装置的研制[J].制造业自动化,2014,36(3).