徐福成

問題的提出

我校教師在物理教學(xué)中講解楞次定律的時候，常使用實驗室現(xiàn)有的大、小兩種靈敏電流計進行演示。演示時常會發(fā)現(xiàn)，使用小型靈敏電流計演示電磁感應(yīng)時，指針偏轉(zhuǎn)幅度較大，但是在講臺上演示，后面的學(xué)生看不清楚指針；而使用儀表盤較大的靈敏電流計演示時，指針偏轉(zhuǎn)幅度又比較小，學(xué)生看不出電磁感應(yīng)的效果。對此教師只能解釋說：由于大型靈敏電流計的指針很長、質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)動起來需要一定的能量，故指針轉(zhuǎn)動的幅度不大。

演示2個線圈之間電磁感應(yīng)的時候，在原線圈通電和斷開瞬間，閉合的副線圈產(chǎn)生感生電流的實驗很難成功，所以老師在課堂上只是描述一下實驗過程，而不進行實際的實驗操作。

針對上述問題，我設(shè)計了一種演示電表——雙語報讀電子指針模數(shù)雙顯多用演示表。它具備以下實用功能。

◇使用電子指針代替機械指針，保持大表盤便于學(xué)生觀看；

◇利用電子指針的電子電路，提高儀表的靈敏度，改善靈敏電流演示效果；

◇發(fā)光的電子指針比機械指針增加了觀察距離；

◇語音報讀演示數(shù)據(jù)，學(xué)生眼耳并用，提高學(xué)習(xí)效率；

◇一表多用，節(jié)省實驗器材成本，彌補了教育經(jīng)費的不足，提高了設(shè)備利用率。

制訂方案

為了克服大表盤指針質(zhì)量過大問題，初步設(shè)計了以下2種方案。

◇在原來儀表上增加一個放大電路，將儀表線圈產(chǎn)生的感生電流放大后，推動較大的機械式演示電表指針轉(zhuǎn)動。

◇使用電子指針代替機械式儀表的指針，單片機根據(jù)AD轉(zhuǎn)換所獲得的數(shù)據(jù)，點亮“指針”軌跡不同位置上的發(fā)光二極管，用點亮的發(fā)光二極管指示機械式指針的針尖所在位置。由于電子線路驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光無須克服指針的慣性，即可解決機械式指針存在的問題。

根據(jù)分析比較，確定使用第2方案，并且在第2方案的基礎(chǔ)上，使演示電表既可測量電流，也可測量電壓，實現(xiàn)了一表多用。

研究過程與說明

研究方案確定以后，按照方案進行電路設(shè)計。我使用單片機組成最小控制系統(tǒng)，利用單片機的AD轉(zhuǎn)換功能，直接對模擬信號轉(zhuǎn)換。電路中采用了飛利浦公司的P89LPC925單片機。原理框圖如圖1所示。

測量電流或電壓時，由擋位切換開關(guān)通過1個繼電器的吸合和釋放自動實現(xiàn)工作電路的切換。擋位開關(guān)是1個雙刀6擲開關(guān)，開關(guān)在切換擋位的同時，接通不同的發(fā)光二極管，通過點亮不同的發(fā)光二極管，表示當(dāng)前不同的測量擋位。

單片機每隔5ms讀取一次AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管驅(qū)動電路驅(qū)動數(shù)碼管顯示，通過LED驅(qū)動電路點亮與被測電量相對應(yīng)的LED發(fā)光，并打開語音電路的電源開關(guān)，向語音電路發(fā)送語音指令，語音電路即報讀當(dāng)前測量的數(shù)據(jù)和被測量的單位。

演示表的前面板如圖2所示。

學(xué)生使用或參觀此演示表時，都表現(xiàn)出濃厚的興趣。見圖3、圖4。

創(chuàng)新點

◇電子指針儀表與機械式儀表比較，克服了指針質(zhì)量對偏轉(zhuǎn)幅度的影響。演示電表設(shè)置的電子線路使用運算放大器放大被測電量，靈敏度可以大幅度提高。

◇一表多用：電子指針演示表不但可以測試靈敏電流，而且有多擋位、多量程，同時可以測試較大電流和較高電壓。

◇數(shù)字化顯示：在測量電流和電壓的模式中，不但電子指針可以指示被測量，另有2組數(shù)碼管顯示被測數(shù)據(jù)，便于讀取測量結(jié)果且精度高，測量結(jié)果保留2位小數(shù)。

◇雙面顯示：課堂演示過程中，即使教師位于儀表的后方，同樣可以看到被測電流或電壓的實際數(shù)據(jù)，為教師觀看測量結(jié)果提供了方便。

◇語音報讀：當(dāng)被測數(shù)據(jù)更新后，語音電路驅(qū)動揚聲器發(fā)出當(dāng)前被測電量的數(shù)據(jù)和被測電量的單位，即便學(xué)生坐在教室最后一排座位，或此時正在低頭做筆記，都能準確聽到當(dāng)前的測量結(jié)果。

◇中英雙語報讀，提高了儀表的使用范圍。

◇由于儀表靈敏度的提高，演示嵌套的2個線圈之間的電磁感應(yīng)實驗已經(jīng)成為可能，解決了副線圈產(chǎn)生感生電流實驗無法演示的難題。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技發(fā)明類一等獎。