光电门与电压放大器做电磁感应定律验证实验

news2024/12/25 9:10:55

根据上述原理可知，实验需要测量的量有两个：挡光时间间隔和挡光时的电压平均值。挡光时间可通过Arduino的数字输入端口采集光电门信号并计算得到，电压值可以通过Arduino的模拟信号输入端口采集。但是由于Arduino的模拟信号输入端只能精确到5mV，而本实验中感应电动势大概为100mV左右，误差太大。所以需要将采集到的感应电动势的值线性放大后再输入Arduino。

放大电路使用Lm358P集成运放，加上电阻构建一个电压线性放大模块，原理图如图2，自制电压放大模块实物图如图3所示。

电压放大模块中的R1用1千欧姆电阻，R2用10千欧姆电阻，这样放大倍数为11。因为输入的感应电动势大概为100mV，经过放大后达到1000mV，用精度为5mV的Arduino模拟信号输入端来采集，误差大概0.5%，达到实验要求。

以下为Arduino端的主要代码，通过这些代码可以看到具体的数据采集过程。

……省略变量定义部分,以下主程序循环执行，大概10微秒执行一遍。

void loop () {

if(digitalRead(inputPin1) ==HIGH)//如果光电门输入信号为1，即挡光时

{ if(i1==0) //如果同时i1变量等于0

{ t1=micros(); //令变量t1等于此刻时间，精确到1微秒

i1=1; } //令变量i1等于1，下次循环不再执行上面程序

if(i1==1) //如果变量i1等于1，即挡光的过程中

{ v1=analogRead(A0); //每执行一次程序采集一个电压值，大概每10微秒采集一次

vv+=v1; //变量vv为对电压进行累加的值

i++; }} //令变量i每执行一次增加1

if(digitalRead(inputPin1) ==LOW&&i1==1)

//如果光电门输入信号为0并且i1等于1，即挡光刚结束时

{ tt1=micros(); //令变量tt1等于此刻时间，精确到1微秒

t1=tt1-t1; //通过tt1与t1想减计算得到时间间隔

i1=0; //令变量i1等于0，即此次挡光计算结束

v1=vv/i; //累加的电压除于累加次数得到平均电压值

vv=0;

i=0;

Serial.print(t1); //发送时间间隔

Serial.print("t "); //发送分割字母

Serial.print(v1); //发送平均电压值

Serial.print(0,BYTE); //发送结束字符

delay(100);} }

通过以上代码可以计算得到光电门挡光时间，以及对挡光时间内大概每10微秒采集一次的电压求平均得到的平均电压。因为程序每执行一遍会有100微秒左右的延时，所以计算得到的挡光时间间隔也会有约20微秒的误差。由于每次挡光时间大概有几十毫秒，所以挡光时间间隔的误差大概有0.5%左右，达到实验精度。图4为实验装置实物图。

软件部分利用Adobe Flash来开发，最后生成swf动画课件。因为具体代码较多，这里不再列出。图为课件界面。

当移动小车正向通过光电门时，课件中的小车也会移动。当Arduino端发送数据时，课件中会实时显示在对应的方框内。点击记录数据按钮，可以将此次数据记录在表格中。当移动小车反向通过光电门时，课件中的小车也会回到原来位置，并且方框中的数据同时清零。移动小车反复经过光电门，就可以记录多组时间间隔和感应电动势的数据。

记录完后，将表格中的数据复制，并粘贴到Excel表格中，利用Excel来进行数据处理，图6为某此实验数据。