自制传感器采集系统改进物理实验教学

谢立行

物理课程资源的开发与利用包括多个方面，其中实验器材开发是课程资源开发的重要组成部分。对于一些物理实验，教师使用传统实验器材很难取得预期效果，可借助信息技术手段创造条件开展实验，充分发挥学科育人功能。有条件的学校可配备数字化实验仪器，增强实验现象的可视化和实验数据采集的实时化。对于大多数教师来讲，自制器材也是不错的选择。自制传感器采集系统在中学物理教学中有很好的应用前景，具有精度高、可视化强、造价低廉等优点。笔者基于51单片机自制传感器采集系统，在课程资源开发方面做了一些探索。

一、基于51单片机自制传感器采集系统

数字化信息系统（DIS）功能强大，被不少学校采用，但由于价格高昂、装置复杂，短时间内难以在初中物理教学中普及应用。笔者自制的传感器采集系统，基于51单片机开发，以数码管（38.1 mm）作为显示元件，并配有声、光、力、液压、大气压、温度等传感器用于采集数据。此外，笔者将该装置通过串口通信线连接电脑，应用自编的VB程序在电脑上完成数据采集及描图工作。

系统的电源由2节干电池组成。该系统具有造价低廉、操作简单、效果明显等优点，可以便捷而精准地采集原始数据，非常适合初中物理教学（如图1）。

笔者自制该系统用到如下材料：自行研发设计的单片机主板、stc89c52rc及stc12c5a60s2单片机芯片、串口模块 RS232转TTL模块、称重传感器1 kg压力传感、双通道24位模数转换HX711AD、GY-68 BMP180 新款 BOSCH温度、US-015 超声波测距模块、防水型DS18b20温度探头、E18-D80NK光电传感器、数字光强度/光照传感器BH1750FVI、数码管（共阳）、USB转串口线 USB转RS232 USB转COM USB转232 340芯片、49 S晶体晶振、5 V升压模块等材料。

教师应用该系统可开展多个项目的实验教学：通过数码管显示方式可操作超声波测距、超声波测声速、超声波测身高、大气压测量、液压测量、力的测量（验证阿基米德原理实验、飞机机翼升力测量）、电压测量、光强度测量、单摆周期测量、跑步计时、小车斜坡下滑前后半段时间测量、数字温度计等实验;通过串口连接电脑可以完成力的相互作用、比热容、超声波测物体移动速度、不同液体的沸点对比等实验。

系统具有以下特点：一是造价低廉（整套成本在300元以内），适合在经济欠发达的农村学校及山区学校推广应用;二是可以选择数码管显示方式操作，降低对计算机的依赖，数码管可视度高，显示效果极佳，能对传统测量器材进行改良;三是具备连接电脑进行描图的功能，可以采集数据;四是功耗极低，电源匹配方便（既可使用5 V通用USB接口供电，又可以选择两节干电池结合升压模块供电）;五是不同传感器可以通过小扩展板与主板进行切换连接，从电脑下载程序很方便;六是相对传统数据采集系统，操作更简单，非常适合教学。

二、应用自制传感器采集系统实验的两种方式

（一）通过数码管显示方式实验

1. 红外光电传感器的应用实例

红外光电传感器既可用于单摆周期测量实验，以即时显示单摆每摆动一个周期所用的时间（如图2），又可用于跑步计时测量，以精确测量学生穿越两个红外光电传感器所需时间。

物理教师开展实验教学应重视学生参与探究和体验的过程，但是一些实验受场地和器材限制，难以在课堂上进行。百米赛跑是引入速度概念的绝佳例子，但在教室里无法实施，教材只用图片和文字的方式阐述。教师利用红外光电传感器能帮学生解决短距离高精度计时问题（如图3），让学生真正参与其中，体验探究过程。

2. 压力传感器的应用实例

自制的压力传感器系统是以hx711 24位AD模块作为数据采集器，并结合压力传感器（量程为10 N）构建的一套数字测力装置。传统实验室配备的弹簧测力计只能用于单向的测量（拉伸方向），而压力传感器可用于双向测量（如图4），其特殊性能是传统弹簧测力计无法比拟的。

在演示“压力的作用效果”的实验教学中，为了说明压力的作用效果与受力面积有关，教师常利用水气球和钉床进行演示，但学生无法利用弹簧测力计测量水气球的受力数据。笔者利用压力传感器对该实验进行改进：利用压力传感器对气球产生一个下压力，并测量其大小。受力面积较大时，压力达9.33 N，气球还是完好无损。笔者在压力传感器上加上钉子，改变受力面积，再次下压气球，仅用0.21 N的压力，气球马上破裂（如图5）。

笔者还利用压力传感器测量精确度高（精确到0.01 N）的特性对验证阿基米德原理实验进行改进。利用传统弹簧测力计验证阿基米德原理实验往往存在较大误差，甚至无法得出“物体所示浮力等于其排开液体所受的重力”这一结论。笔者利用压力传感器操作“验证阿基米德原理实验”时，恰好手头上没有合适的小水杯盛装物体排开的水，故用轻质的空手套替代小水杯，顺带检验一下测力计的精确度。笔者将测力计调零，以大钩码作为被测物体进行测量，先测量空手套重力0.06 N，后测量大钩码重力2.00 N（如图6）。

笔者准备好盛满水的溢水杯和空手套，使大钩码浸没入水中，同时用空手套接住排开的水;发现测力计示数在1.74 N与1.75 N之间徘徊;取下钩码，测得手套和水重力为0.31 N。

2.00 N-1.75 N=0.31 N-0.06 N，结论得证。即使按1.74 N算，误差仅有0.01 N。相较于传统弹簧测力计，新器材优势明显。

3. 超声波传感器的应用实例

超声波传感器可用于测距，笔者指导学生对原有程序稍作修改，用于测量身高（如图7）。

4. 大气压传感器的应用实例

大气压传感器可用于测量室内大气压随高度的变化情况。笔者采用的大气压传感器是通过BOSCH BMP085气压模块采集数据，其精度很高。笔者让学生利用该大气压传感器在课堂上做实验，了解大气压随海拔高度变化的特点。学生举起大气压传感器站在凳子上，然后将其贴近教室地面（如图8），测得数据分别为1.105×10⁵Pa和1.102×10⁵Pa。

大气压传感器还可用于测量电梯随楼层高度变化的大气压变化情况。

5. 液压传感器的应用实例

一杯水能产生多大压强？笔者利用液压传感器解答这个问题。

如图9所示，笔者准备一烧杯注入红墨水（300 mL），将液压传感器放入烧杯底部，测得液压值为0.0055×10⁵Pa，然后根据液压公式P=ρgh，让学生思考如何让这杯红墨水的压强增大。学生通过实验验证他们的想法：将液压传感器固定在一根长约1.4 m的有机玻璃空管底部，将这杯红墨水灌入管中，当水快灌满管子时，测得液压值为0.1325×10⁵Pa（如图10）。该实验能让学生深刻认识液压的特点。学生用测量数据推算红墨水的深度，所得结果非常精准。

（二）通过串口连接电脑完成实验

1. 比热容实验

笔者将长度相同的两段加热丝（电阻值均为1.7 Ω）接到电脑电源的12 V电压输出线上（如图11），保证两者产生的热量相同;用两个18B20温度传感器对等质量的食用油和水进行温度数据采集（如图12）;利用串口数据线连接电脑生成图像（如图13）。

2. 超声波测物体移动速度实验

笔者在实验中使用了超声波传感器和电动推杆。首先给电动推杆加上不同的电压，使其以不同的速度做匀速直线运动，然后利用超声波传感器采集探头到推杆白色挡板之间的距离数据，将串口数据线连接电脑，生成白色挡板移动的S-T图（如图14）。

此外，师生通过串口连接电脑的方式还可以完成“力的相互作用”验证性实验。

笔者基于51单片机自制传感器采集系统开展实验教学，利用其高精度特性，对部分传统实验进行改进和创新，用全新的方法操作教材上的实验，实现传统实验器材无法实现的功能，对传统实验做了很好的补充和拓展，教学效果明显提高。该系统小巧独立，不依靠电脑显示，操作简便，得到用户一致认可，具有推广价值。

注：本文系人民教育出版社课程教材研究所2021年立项课题“义务教育教科书物理实验优化研究”（课题批准号：KC2021-008、KC2021-010）的研究成果。

（作者系广东省广州市广园中学高级教师）