Предлагается использовать на уроках физики люксметр, самостоятельно изготовленный учителем. Он представляет собой аналоговый датчик освещенности, сопрягаемый с компьютером при помощи десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя, который также может быть изготовлен самостоятельно. Такой компьютерный измеритель освещенности (виртуальный люксметр) позволяет демонстрировать учащимся на экране значение освещенности в данный момент времени и график зависимости освещенности от времени.
Ключевые слова: виртуальный прибор, датчик освещенности, люксметр, аналого-цифровой преобразователь, виртуальный измеритель освещенности.
Для того чтобы представить в наглядном виде учебную информацию об измеряемой аналоговым датчиком физической величине с помощью средств визуализации компьютера, создается измерительный комплекс, который включает датчик измеряемой физической величины, компьютер, устройство сопряжения датчика с компьютером и программное обеспечение [1, с. 2–6; 2; 6, с. 8–9; 7; 8].
Компьютер работает с дискретными величинами, поэтому основной частью любого виртуального измерительного прибора с аналоговым датчиком на базе компьютера является устройство сопряжения, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой, — аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Фактически это цифровой вольтметр [1, с. 88–90]. Таким образом, любой аналоговый датчик, на выходе которого получается электрическое напряжение, пропорциональное измеряемой этим датчиком физической величине, может быть согласован с этим вольтметром, если напряжение на выходе датчика не превышает максимальное входное напряжение АЦП [2; 8].
В качестве такого прибора может использоваться десятиразрядный АЦП на базе микросхемы TLC1549IP [2]. Он может успешно применяться как устройство сопряжения аналоговых датчиков с компьютером и являться основным элементом учебного виртуального измерительного комплекса. Входное напряжение такого АЦП не должно превышать 5 В, точность измерений напряжения примерно равна 0,005 В [2]. Прибор может быть подключен к COM-порту компьютера (последовательному порту RS232) или к USB-шине компьютера с помощью адаптера USB-COM. Это позволяет подключать его и к достаточно давно выпущенным компьютерам, еще имеющим COM-порт, и к современным, у которых COM-порт уже отсутствует. В случае подключения устройства к USB-шине необходимо будет установить специальную программу-драйвер для создания виртуального COM-порта. При этом надо обратить внимание то, что увеличится погрешность при измерении интервалов времени. Связано это со спецификой работы контроллера USB и с тем, что адаптеру необходимо некоторое время для преобразования сигнала, поступающего от устройства к компьютеру [2; 8].
В качестве фотометрического датчика в составе измерительного комплекса мы используем датчик на базе фотодиода BPW34. Принципиальная схема такого аналогового датчика представлена на рис. 1 [5].
Рис. 1. Принципиальная схема аналогового датчика освещенности
Максимальное выходное напряжение датчика равно 5 В. Четыре резистора, которые можно подключать к цепи обратной связи первого каскада усилителя, реализованного на базе микросхемы LM358, позволяют проводить измерения освещенности с верхними пределами 50, 500, 5000 и 50000 лк. При измерениях стоит помнить о том, что при уровне освещенности выше 10000 лк линейность характеристики фотодиода BPW34 производителем не гарантируется [1, с. 124]. Питание устройства может осуществляться от обычной гальванической батареи или какого-то другого стабилизированного источника постоянного напряжения [9]. На рис. 2 показан собранный датчик с подключенным питанием, напряжение на выходе которого для его настройки контролируется с помощью мультиметра. Мультиметр показывает напряжение, равное 348 мВ, что в данном случае соответствует освещенности 348 лк. На рис. 3 датчик подсоединен к АЦП, сигнал с которого затем будет передаваться в компьютер. Ранее для сейчас уже устаревших моделей компьютеров мы использовали также в качестве АЦП другой прибор, показанный на рис. 4. Он подключался к LPT-порту компьютера.
Рис. 2. Демонстрация того, как датчик переводит единицы освещенности в единицы электрического напряжения
Рис. 3. Датчик освещенности, присоединенный к АЦП
Рис. 4. АЦП для подключения к LPT-порту
Программное обеспечение учебного виртуального компьютерного прибора должно иметь развитый графический интерфейс [3; 4; 5; 7]. Наша практика показывает, что для таких приборов удобнее создавать относительно небольшие программы, ориентированные на решение узкоспециальных измерительных задач. Пользователю программы предоставляется минимально необходимый вариант автоматизированного управления виртуальной измерительной системой, что существенно облегчает его работу с ней, так как сокращает время подготовки прибора к работе, а его настройка не отвлекает от более важного для обучения процесса осмысления результатов измерений. Окно приложения, обеспечивающего работу с люксметром, показано на рис. 5. Созданная нами программа предназначена для работы с операционными системами Windows XP, Windows Vista и Windows 7. В окне приложения размещены следующие элементы: верхнее меню, включающее пункты «Файл», «Измерения», «Справка»; место для визуализации графика зависимости измеряемой освещенности от номера измерения (времени); индикатор, показывающий текущее значение освещенности; группы радиокнопок для выбора верхнего предела измерений освещенности и частоты измерений; управляющие кнопки «Пуск/Пауза» и «Сброс»; группа радиокнопок для выбора событий; окно ввода предельного значения освещенности для срабатывания таймера; выпадающий список существующих на данном компьютере портов. Минимальная скорость проведения измерений освещенности равна 1 измерению в секунду, максимальная — примерно 100 измерений в секунду (1 измерение в 0,01 секунды). Это позволяет визуализировать на экране и анализировать быстропротекающие процессы [9].
Рис. 5. Окно приложения «Цифровой люксметр»
Часто оптодатчики используются для автоматизации процесса измерения времени. Например, при приближении какого-либо объекта к такому датчику или удалении объекта от датчика происходит изменение освещенности датчика, что можно зафиксировать с помощью программного обеспечения и включить в этот момент отсчет времени. Затем при некотором значении освещенности можно остановить этот отсчет и измерить промежуток времени между двумя этими событиями, соответствующими разным (или одинаковым) значениям освещенности датчика. В нашем приложении предусмотрена возможность использования фотометрического датчика для измерений интервалов времени между двумя моментами затемнения и двумя моментами освещения датчика, а также между моментом уменьшения освещенности до определенного значения и моментом увеличения освещенности до этого же значения и между моментом повышения освещенности до определенного значения и моментом снижения освещенности до этого значения. Это позволяет использовать прибор, например, для измерения периода колебаний маятников [5].
Рис. 6. Функциональная схема экспериментальной установки
На рис. 6 показана функциональная схема измерительного комплекса, состоящего из аналогового датчика, АЦП, компьютера и предлагаемого нами программного обеспечения [7; 9].
Литература:
1. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с фр. — М.: ДМК Пресс, 2005. — 144 с.
2. Данилов О. Е. Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 4. — С. 114–119.
3. Данилов О. Е. Виртуальный прибор «Цифровой вольтметр» / О. Е. Данилов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617600. — Заявка № 2011613163; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 29.09.2011.
4. Данилов О. Е. Виртуальный прибор «Цифровой люксметр» / О. Е. Данилов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614402. — Заявка № 2013612070; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 07.05.2013.
5. Данилов О. Е. Компьютерный люксметр для учебных исследований / О. Е. Данилов // Современные проблемы науки 2011: Сборник статей Международной заочной научно-практической конференции; Под общ. ред. Н. А. Максимовой. — Смоленск, Принт-Экспресс, 2011. — С. 99–103.
6. Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.
7. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.
8. Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.
9. Учебные компьютерные измерительные приборы / О. Е. Данилов. — Электрон. дан. — Сайты Google, 2011. — Режим доступа: https://sites.google.com/site/dancommeter/home. — Загл. с экрана.
