色光合成演示仪的改进与创新

汪克凡

摘 要：本文根据现有初中物理光合成实验演示装置存在的不足，通过分析、比较，将传统实验与信息化技术相结合，设计出能够定量研究光的颜色、强度与光合成效果关系的数字化色光合成演示仪。

关键词：三色光；发光二极管；单片机；VB控件；模拟显示

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0017-2

1 问题的提出

初中物理教材中所展示的三原色光合成实验，其装置主要如图1所示。该装置最主要的局限性在于，只能进行结果单一的三色光或二色光的合成，无法满足教师和学生进一步研究的好奇心，例如用三原色合成黄色、紫色、橙色。那么，能不能设计一种通过定量改变RGB，合成特定颜色的数字化色光实验仪呢？笔者在以上思考的基础上，提出了本文的研究目标：（1）在个人电脑上通过程序窗口操作的方式可视化地进行光的合成演示，并在程序窗口模拟显示三色光合成效果；（2）把电脑合成的数字信号传输给外部硬件设备，实现数字信号对三色灯的控制。

2 数字化色光合成演示仪具体操作

2.1 数字化色光合成演示仪整体结构设计

数字化色光合成演示仪的整体结构设计如图2所示。其主要包含三个重要组成部分：

（1）用VB编程，设计色光合成的演示面板，VB控件通过USB接口实现与外部硬件的连接，通过控件窗口操作的方式可视化地进行光的合成演示，并在窗口模拟显示三色光合成效果；

（2）怎样把电脑合成的数字信号传输给外部硬件设备，点亮三色灯，涉及单片机选择及程序控制；

（3）色彩纯净的三色光源选择。

2.2 VB编程，设计色光合成的演示面板

色光合成的演示面板如图3所示，通过调节红、绿、蓝三色滑块，三个小方块的颜色会产生变化，同时大方块中显示的合成后的颜色也在不断变化，达到可视化效果。

2.3 数字化控制调节的实现过程

（1）电脑信号输出采取了现在较为常用的USB输出。配合相应的驱动程序，利用USB将信號输出到单片机，从而控制二极管的发光情况。

（2）如何通过USB传出的数字信号来驱动发光管是本实验的一个难点。通过查阅相关资料，了解到通过单片机就能够实现。在初步了解单片机的原理的基础上笔者设计了如下单片机连接图（图4）。单片机要能认识计算机传出来的信号，还需要对单片机进行初始化编程，让电脑信号和单片机对接。

2.4 三色光合成效果显示

要能准确合成色光，首先必须有良好的发光体。对于纯净强光的产生，传统实验采用的是通过透镜汇聚强光，再利用滤色镜片产生有色强光。笔者在实验后发现按照这种方法所产生的色光颜色有较大的偏差，效果不佳。在多次实验比较后，笔者选择了大功率LED灯珠，其产生的红、绿、蓝色光较为纯净，满足实验的要求。

将二极管放入一个黑色圆筒内，并将筒口对准白墙，打开电源，白墙上即可显示红、绿、蓝色光和混合光。通过调节电脑上的颜色，从而改变二极管的光强，实现不同光强的色光混合。在实验设计的过程中，笔者发现黑色圆筒比白色圆筒的实验效果要好。笔者认为其原因在于，如果筒是白色光滑的，那么它发射的光就会对纸板上光的合成效果产生干扰，影响光的纯度，进而影响实验效果。

3 小 结

通过实践检验，并将改进后的装置与传统的三色光的实验装置进行对比，色光合成演示仪具有结构简单、节能环保、数字化调控等优点。不仅可作为光合成效果的教学演示仪器，还可以研究任意两种单色光合成及三色光合成，同时可比较直观地研究光的强度对光合成的影响，这是值得各位专家学者进一步研究的问题。

参考文献：

[1]周兴华.单片机C程序设计第1版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：108-109.

[2]乔平安. Visual Basic 6.0程序设计第1版[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[3]李高.用电脑控制单片机工作——用VB和单片机开发串行通信软件[J].电子制作， 2008（9）：13-16.

（栏目编辑 赵保钢）