双语报读电子指针模数双显多用演示表

徐福成

问题的提出

我校教师在物理教学中讲解楞次定律的时候，常使用实验室现有的大、小两种灵敏电流计进行演示。演示时常会发现，使用小型灵敏电流计演示电磁感应时，指针偏转幅度较大，但是在讲台上演示，后面的学生看不清楚指针；而使用仪表盘较大的灵敏电流计演示时，指针偏转幅度又比较小，学生看不出电磁感应的效果。对此教师只能解释说：由于大型灵敏电流计的指针很长、质量较大，转动起来需要一定的能量，故指针转动的幅度不大。

演示2个线圈之间电磁感应的时候，在原线圈通电和断开瞬间，闭合的副线圈产生感生电流的实验很难成功，所以老师在课堂上只是描述一下实验过程，而不进行实际的实验操作。

针对上述问题，我设计了一种演示电表——双语报读电子指针模数双显多用演示表。它具备以下实用功能。

◇使用电子指针代替机械指针，保持大表盘便于学生观看；

◇利用电子指针的电子电路，提高仪表的灵敏度，改善灵敏电流演示效果；

◇发光的电子指针比机械指针增加了观察距离；

◇语音报读演示数据，学生眼耳并用，提高学习效率；

◇一表多用，节省实验器材成本，弥补了教育经费的不足，提高了设备利用率。

制订方案

为了克服大表盘指针质量过大问题，初步设计了以下2种方案。

◇在原来仪表上增加一个放大电路，将仪表线圈产生的感生电流放大后，推动较大的机械式演示电表指针转动。

◇使用电子指针代替机械式仪表的指针，单片机根据AD转换所获得的数据，点亮“指针”轨迹不同位置上的发光二极管，用点亮的发光二极管指示机械式指针的针尖所在位置。由于电子线路驱动发光二极管发光无须克服指针的惯性，即可解决机械式指针存在的问题。

根据分析比较，确定使用第2方案，并且在第2方案的基础上，使演示电表既可测量电流，也可测量电压，实现了一表多用。

研究过程与说明

研究方案确定以后，按照方案进行电路设计。我使用单片机组成最小控制系统，利用单片机的AD转换功能，直接对模拟信号转换。电路中采用了飞利浦公司的P89LPC925单片机。原理框图如图1所示。

测量电流或电压时，由挡位切换开关通过1个继电器的吸合和释放自动实现工作电路的切换。挡位开关是1个双刀6掷开关，开关在切换挡位的同时，接通不同的发光二极管，通过点亮不同的发光二极管，表示当前不同的测量挡位。

单片机每隔5ms读取一次AD转换数据，当读取的数据发生变化时，将经过处理的数据送到数码管驱动电路驱动数码管显示，通过LED驱动电路点亮与被测电量相对应的LED发光，并打开语音电路的电源开关，向语音电路发送语音指令，语音电路即报读当前测量的数据和被测量的单位。

演示表的前面板如图2所示。

学生使用或参观此演示表时，都表现出浓厚的兴趣。见图3、图4。

创新点

◇电子指针仪表与机械式仪表比较，克服了指针质量对偏转幅度的影响。演示电表设置的电子线路使用运算放大器放大被测电量，灵敏度可以大幅度提高。

◇一表多用：电子指针演示表不但可以测试灵敏电流，而且有多挡位、多量程，同时可以测试较大电流和较高电压。

◇数字化显示：在测量电流和电压的模式中，不但电子指针可以指示被测量，另有2组数码管显示被测数据，便于读取测量结果且精度高，测量结果保留2位小数。

◇双面显示：课堂演示过程中，即使教师位于仪表的后方，同样可以看到被测电流或电压的实际数据，为教师观看测量结果提供了方便。

◇语音报读：当被测数据更新后，语音电路驱动扬声器发出当前被测电量的数据和被测电量的单位，即便学生坐在教室最后一排座位，或此时正在低头做笔记，都能准确听到当前的测量结果。

◇中英双语报读，提高了仪表的使用范围。

◇由于仪表灵敏度的提高，演示嵌套的2个线圈之间的电磁感应实验已经成为可能，解决了副线圈产生感生电流实验无法演示的难题。

该项目获得第27届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科技发明类一等奖。