前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的自制传感器采集系统改进物理实验浅析，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
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（38.1mm）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1kg压力传感、双通道24位模数转换HX711AD、GY-68BMP180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RS232USB转COMUSB转232340芯片、49S晶体晶振、5V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5V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hx71124位AD模块作为数据采集器，并结合压力传感器（量程为10N）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9.33N，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0.21N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0.01N）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0.06N，后测量大钩码重力2.00N（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1.74N与1.75N之间徘徊；取下钩码，测得手套和水重力为0.31N。2.00N-1.75N=0.31N-0.06N，结论得证。即使按1.74N算，误差仅有0.01N。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BOSCHBMP085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（300mL），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1.4m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1.7Ω）接到电脑电源的12V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。
作者:谢立行 单位:广东省广州市广园中学高级教师