半导体声光电应用 数字化实验研究装置

杨张明 朱嘉瑶 王晔洋

高中物理、通用技术教材中传感器应用实例较多，生活传感器和教学传感器应用非常广泛，老师教授这部分内容时，学生对此兴趣很浓。

物理教学中，缺少系列半导体传感器声光电应用数字化研究平台，学生对研究各种传感器输出的高、低电平信号，把模拟量变为数字量等问题特别感兴趣，但尚未有现成的实验器材来演示这种变化信号。于是，我们设计了半导体声光电应用数字化实验研究装置。

本装置分为四个部分。第一部分可演示光电计数、光电信号触发单片机智能控制声光电效果，且单片机可脱离电脑编辑、修改程序，演示教学机器人的编程原理。

第二部分可演示电感传感器、电容传感器、红外传感器智能开灯和手动关灯，实现一灯多控，解决楼道照明灯只能智能开灯、不能随时人工关灯的缺陷。

第三部分可演示利用霍尔效应传感器演示与门、或门逻辑电路工作原理，利用电压传感器测量高、低触发电平。

第四部分可进行半导体声光电耦合数字化对比分析研究。

一、工作原理

各种传感器工作时，把红外信号、磁场信号、光信号、声信号、位移的变化转化为电信号，单片机接收并处理输入的脉冲信号后进行智能控制。

如演示光电计数，包括正计数和倒计数;利用调制后的红外信号触发单片机工作，开启声、光、电提示功能，实现智能控制，如开启灯泡、马达、语音电路等等。

二、研究过程

（一）基础理论知识研究

1.查阅传感器智能控制相关资料，撰写查新报告。

2.研究各种传感器的工作原理及电路参数。

3.研究2051单片机、触发端口、编程方法。

（二）制作演示模型

1.购买制作作品需要的器材。

2.制作装置底座及外壳，安装12V及5V直流电源。

3.安装远距离红外光电传感器（控制距离20m），连接12V直流电源，调试工作灵敏度，观察继电器闭合和开启的情况。

4.安装2051单片机、喇叭等，制作执行机构为马达的实验装置。

（三）研究单片机编程语言

1.用C语言对2051单片机进行编程，研究用数字代码表示程序的方案。

2.研究脱离电脑、利用控制面板按钮编程，使利用数字代码独立编程成为可能。

（四）功能拓展一

1.制作位移传感器控制电路（包括电容传感器和电感传感器），实现利用电容传感器、电感传感器、人体红外传感器、机械门铃按钮开关进行一灯多控，且既可以智能开、关灯，也可以手动开、关灯。

2.制作利用多种传感器排列组合进行一灯多控，同时研究与门、或门等逻辑电路实现开启LED灯的多种控制方法。

（五）功能拓展二

1.制作霍尔效应传感器的控制电路，演示门磁传感器的工作原理，实现利用霍尔效应传感器演示与门、或门逻辑电路开启LED灯的方法，通过语音提示门电路开启状态，增强实验趣味。

2.利用霍尔效应传感器的控制电路，进行高、低电平触发开启LED灯的实验，对比通过电压传感器、指针式电压表显示高、低电平的优、缺点，让学生容易理解模拟量与数字量的含义。

（六）功能拓展三

研究半导体光电效应，用MP3做信号源，利用半导体光电耦合器将声音信号变成光信号，进行声-光-电-声的转换研究，研究声波的波形特征、光电耦合电路的抗干扰性能以及光电耦合后的保真度。

将光电耦合电路板的输入端与信号源MP3（或FM调频收音机）连接，输出端与功放电路连接。调节调频收音机的音量或光电耦合器输入端电源的电压，使功放电路中的扬声器随之变化，但不能失真;关闭光电耦合器输入端电源的电压，光电三极管无输入信号，扬声器无声。通过光电耦合实验研究光电耦合电路的抗干扰功能，实现声-光-电-声的转换。

通过电压传感器、数据采集器采集光电耦合电路板输入、输出端的声音信号波形图并进行对比分析，让学生理解振动波形图的叠加原理。

三、使用方法

1.打开单片机总电源开关，演示远距离光电计数，模拟行人过街，演示正计数和倒计数。

2.启动单片机，演示光电信号触发单片机智能控制声光电效果，且单片机可脱离电脑进行编程和修改程序等。

3.各种传感器把模拟量变为数字量，演示输出的高、低电平信号，通过指针式电压表或数字电压表显示传感器输出的电压信号。

4.利用霍尔效应传感器实现非门高、低电平触发，通过门磁电路实现利用语音电路智能提醒开门，利用传感器演示与门、或门等逻辑电路控制原理。

5.用电感传感器、电容传感器、人体红外传感器、机械门铃按钮开关演示智能开灯和人工关灯，实现一灯多控，演示楼道照明灯只能智能开灯、不能人工关灯的缺陷，提出解决方法。

6.输入MP3信号至半导体声光电耦合电路，将两组电压传感器接入光电耦合输入、输出端，对采集的信号进行数字化分析研究。

本装置集成度高，趣味性强，便于讲解教学传感器和生活传感器的工作原理和实际应用，适用于高中物理实验教学及高中通用技术选修課程智能控制教学，具有较高的应用价值。（指导老师：郭金虎  黄  剑）