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基于51单片机的教学用自动光学演示装置设计
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前言：
一、项目介绍
1.1 项目背景
1.2 项目研究内容
二、相关光学实验理论
2.1 光的反射
2.2 光的折射
2.3 光的漫反射
三、教学用自动光学演示装置的整体设计
3.1 装置的设计方案
3.2 装置的特性要求
四、教学用自动光学演示装置的硬件电路设计
4.1 教学用自动光学演示装置单片机最小系统电路设计
4.1.1 单片机的选择
4.1.2 复位电路设计
4.1.3 晶振的选择
4.2 教学用自动光学演示装置伺服电机电路设计
4.2.1 伺服电机的发展
4.2.3 伺服电机的具体使用方法
4.3 教学用自动光学演示装置蓝牙模块的设计
4.4 教学用自动光学演示装置整体电路的设计
五、教学用自动光学演示装置软件设计
5.1 教学用自动光学演示装置的开发所用软件
5.2教学用自动光学演示装置软件的设计
5.2.1 代码的编写
5.2.2 程序框图设计
5.2.3 伺服电机的控制
5.2.4 蓝牙模块的控制
6、教学用自动光学演示装置的测试
6.1 实物介绍
6.2 仿真测试步骤
6.2.1 将仿真进行运行并下载代码
6.2.2 模式转换的测试
6.2.3 旋转角度转换的测试
6.3 实物测试步骤
6.4 结果分析
6.4.1 蓝牙通信的分析
6.4.2 电机运行的分析
七、总结：
程序源码获取方式：毕设&课设&项目&实训-基于51单片机的教学用自动光学演示装置设计.zip资源-CSDN文库编辑
前言：
随着中学物理教育的不断发展，人们对物理实验教具的要求逐渐提升，不仅需要满足教学需求，还应具备更高的实用性与耐久性。然而，目前中学物理光学教育仍然以传统的纯手工演示为主，这种方式不仅实验标准化程度较低，还难以避免教具在日常教学使用中的损坏问题，严重影响了教学效率和实验效果的稳定性。在此背景下，本文设计了一款教学用自动光学演示装置，这一装置的诞生不仅弥补了传统手工演示教具的不足，还体现了教学装置在功能设计上的自动化与多用途性。本文设计的自动光学演示装置以中学物理教学需求为导向，重点针对光学实验教学中的三大核心内容——光的折射、光的反射和漫反射进行优化设计。
装置采用51单片机作为核心控制器件，结合现代光学技术与机械技术，构成了一种现代化、多功能的教学工具。其基本工作原理是通过单片机实现精确的模块化控制，不同模块分别对应光的折射、反射和漫反射的演示实验，利用自动化的控制方式取代传统的手工操作，从而精确再现实验现象。这种设计不仅降低了实验的复杂度，还显著提升了实验的稳定性和演示效果。与此同时，成本控制也是本装置设计中的重要考量，通过选用合理的元器件和优化的设计方案，在保证装置性能的同时，降低制作成本，使其成为一款经济实用的教学工具。
此外，为了保留学生在实验过程中的动手能力，装置设计了多个模块化的操作接口，学生可以通过简单的拆装和调整，进一步参与实验装置的搭建和维护，从而提升实践动手能力和实验兴趣。教学互动性是现代教学装置的重要特性，本文设计的自动光学演示装置支持蓝牙通信功能，教师和学生可以通过智能终端（如手机或平板电脑）连接蓝牙模块，控制单片机的输入信号，从而实现对实验装置的远程控制和实时互动。
这种设计不仅简化了实验操作过程，还极大地提升了课堂演示的趣味性和教学效果。通过蓝牙控制，教师可根据教学内容随时调整演示实验类型，而学生也能通过互动体验加深对光学现象的理解。本文的光学实验部分主要针对中学物理课程中的重点内容——光的折射、光的反射和漫反射展开，实验装置通过模块化设计和自动化控制，以更直观、更生动的方式展示光学实验现象，让学生能够更轻松地观察和理解实验原理。
在设计完成后，本文对本装置进行了一系列的仿真测试与实物测试，从单个功能模块的性能测试到整体系统的联调测试均表现良好，实现了预期的实验演示功能，测试结果表明本装置能够稳定高效地完成光学实验的教学演示工作。综上所述，本文设计的教学用自动光学演示装置是一种集成了光学技术、机械技术与现代单片机控制技术的创新型教学工具，具有自动化程度高、演示效果直观、互动性强、成本低廉等显著优点，在中学物理光学实验教学中具有广阔的应用前景和推广价值。
一、项目介绍
1.1 项目背景
物理知识的教授过程中，实验教学是不可或缺的一项重要手段，它不仅承担着训练学生实验技能、培育科学素养、塑造良好心理品质的多重功能，更是物理教学内容的重要组成部分。物理实验为学生提供了丰富的感性认知资源，有助于学生以更简单直观的方式理解物理实验原理，激发学生的学习兴趣。同时，实验课程所培养的观察与操作能力对学生核心素养的发展具有重要意义。此外，通过动手完成实验，不仅能够深化学生对物理知识的理解，还能培养他们尊重事实、实事求是的科学态度，以及遵守纪律、爱护设备的良好品质。现阶段的中学生大多为10后，成长于新时代的浪潮中，他们对新鲜事物充满好奇，追求创新与趣味性。相比之下，传统光学物理知识以枯燥的书本形式呈现，而物理实验器具则相对陌生且不常见。一个设计新颖的实验器具，不仅能够满足学生对新鲜事物的兴趣，还能极大地激发他们的学习热情，让他们更加投入于实验活动之中。这不仅提高了课堂效率，更重要的是，通过这种“新鲜感”，让学生们喜欢上物理实验，从而实现兴趣驱动学习的效果。
传统的实验教学与理论课程往往独立进行，在理论知识的学习过程中，学生参与实验教学的机会相对较少。然而，实验教学与理论知识之间应当形成紧密的联系，二者相辅相成、相互促进，才能真正提高学生对光学学科的整体理解和实际应用能力。在此背景下，一套设计合理、使用便捷的实验演示装置成为了现代物理教学中不可或缺的一环。说到实验装置的智能化与便捷性，单片机成为了核心技术的选择，它是一种高度集成的芯片，利用超大规模集成电路技术，将计算机的核心功能集成到一块芯片上。自从最初的4位和8位单片机问世以来，单片机技术已经发展到32位甚至更高位，其应用领域持续扩大，广泛覆盖了包括智能家居、无人驾驶等在内的各类现代化场景。我国政府高度重视集成电路产业的发展，单片机产业取得了重要成果，既满足了国内需求，又在国际市场上占据了一定份额。总之，随着技术的不断演进，单片机在未来的教学与科研领域中将发挥更加重要的作用。
实验装置的设计改进不仅仅依赖于简单的物理组合，还需要注重各个模块之间的科学配合和功能的优化整合。例如，目前许多光学实验教具存在一些实际使用中的缺陷，比如由于玻璃砖尺寸受限，光路较短，不便于观察实验现象；方形水槽设计导致转角过小，使得演示角度受限；激光光源笨重、不便于携带等问题。基于这些问题，为了顺应新课程改革的要求，实验教学需要进一步加强设计创新，帮助学生在实验过程中掌握物理知识和技能，培养科学探究精神，提升创新和实践能力，同时激发学生对自然现象探索的强烈兴趣。
近年来，自动光学演示装置在教学中的应用已经成为教育领域的研究热点之一。国外研究者通过引入先进的光学技术和材料，设计出了更加精密且稳定的自动光学演示装置，大幅提升了教学效果。这些装置不仅让教师能够更方便地演示实验，还能以更加生动直观的方式展示实验原理，从而显著提高学生的学习兴趣和学习效率。然而，与国外相比，国内的物理教学仪器仍有改进空间。以美国为例，光学教育受到高度重视，发展迅速。从1986年全美仅23个光学培训基地，到1988年增长到132个，如今已能授予光学学士学位的单位有82个，授予硕博士学位的单位有72个。美国高校通过重视数理基础、强化实践教学环节、注重工程教育基础以及激发学生兴趣，为培养高素质光学人才奠定了坚实基础。相比之下，我国在光学教育领域的实践环节、工程训练以及学生学习积极性等方面仍有明显不足，尤其是在校内外实习基地的建设和使用上，与实际行业需求存在一定脱节。这种供需错位不利于创新型人才的培养，因此成为未来教学改革亟需解决的问题。
在中国，教学用光学演示装置的普及程度逐渐提高，许多高校、中小学乃至科研机构都配备了较为完善的光学实验设备，用于教学研究。国内一些知名科研仪器供应商提供了多种光学实验箱和装置，以满足不同的教学需求。这些装置通常涵盖光学原理、干涉衍射、偏振光学等实验内容，帮助学生更直观地理解相关知识点。此外，随着数字技术的兴起，一些虚拟实验室平台也开始涌现，为学生提供了更加灵活的学习方式。
传统光学教具虽然能够同时实现多个实验现象，但在切换实验模式时操作繁琐且易受限。基于这一点，设计一款集成化、智能化的教学用自动光学演示装置显得尤为重要。这样的装置通过“一物多用”，有效整合传统光学实验教具的功能，不仅能为学生提供更加直观的现象展示，助力他们掌握核心知识，还能培养正确的物理思维和科学探究能力。通过简化实验操作，这种装置能让学生更直观地观察光学现象，激发他们的学习兴趣和探究欲望，从而全面掌握物理学科的核心知识与实验技能。同时，装置的成本控制也是一个重要考虑因素，过高的设备成本可能导致实验教学资源分配不均，影响学生的参与热情。因此，合理控制成本并引入新技术（如实验视频录像等），能够让学生更加直观地理解实验内容，同时培养他们的自主学习能力、团队合作精神以及创新意识。
随着现代教学理念的不断深入，实验教学作为学生认识自然、了解科学原理的重要工具，已经成为教学体系中的核心环节。通过实验教学，不仅能提高学生对学习的兴趣，还能在多方面培养学生的综合能力，如科学素养、动手实践能力以及创新意识。光学作为中学物理教学的重点板块，涉及内容复杂且抽象，学生需要通过实验观察与推理来理解并掌握。因此，光学实验教学质量的关键在于实验器具的设计与应用。当前，大多数传统光学实验设备功能单一，无法满足多样化教学需求。因此，研发一款教学用自动光学演示装置，不仅能够优化实验过程、简化操作，还能激发学生的学习兴趣，从而推动物理教学效率与效果的全面提升。
图 1-1 传统光学演示装置
在《2017年版2020年修订的普通高中物理课程标准》中明确指出，学科核心素养是学科教育价值的集中体现，它涵盖了学生在学科学习过程中逐步形成的正确价值观、必备品格以及关键能力。在物理学领域，学科核心素养主要包含物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个关键方面，这些核心素养是学生未来全面发展的基础，也是物理学科教学的核心目标。首先，物理观念强调学生对物理现象和规律的深刻理解，并要求学生能够将物理知识运用于实际问题的分析与解决。通过物理的学习，学生可以建立起对自然界现象的理性认识，从而更好地理解自然世界的本质与规律。其次，科学思维作为物理学科素养的重要组成部分，注重培养学生的逻辑思维能力和创造性思维能力，使得学生能够以科学的方式分析和解决问题。科学思维的形成不仅能够帮助学生提升对物理问题的理解能力，同时还能够迁移到其他领域，为学生解决复杂问题提供支持，进而为他们的成长奠定坚实的基础。
在物理核心素养中，科学探究被视为关键环节，强调通过实验、观察、推理等方式，学生能够对物理现象展开深入的研究，从而发现其中的规律，验证相关理论。科学探究的过程能够让学生在实践中内化物理观念，培养他们的动手能力和创新精神，同时提高对物理知识的主动探究意识。此外，科学探究作为一种学习方式，还能激发学生的好奇心，增强他们对科学的兴趣。而科学态度与责任感则是物理学科素养的核心要义，它要求学生具备严谨的科学态度，能够以实事求是的精神对待物理知识与实验，同时具备社会责任感，学会将所学的物理知识应用于社会实践，并积极为人类的发展做出贡献。这种科学态度与责任感不仅是物理学科教育的目标，更是学生成长为全面发展型人才所不可或缺的素质。
《普通高中物理课程标准》特别强调通过学科核心素养的培养，使得学生能够在物理学习中逐步形成正确的价值观和关键能力，从而为未来的发展打下坚实的基础。在实验教学中，学生通过观察和实践，不仅能够加深对物理规则的理解，还能逐步养成科学实验观念和严谨的科研责任感。在我国教育全面改革的大背景下，学科核心素养的培养已成为教育工作者的重要任务，目的是通过物理学科教育，为国家和社会培养出一代又一代具备科学素养、创新能力和社会责任感的优秀人才。然而，物理实验作为学生理解物理知识本质的重要途径和方式，通常情况下难以通过教材中的抽象理论或视频动画进行完全替代。面对这一问题，教学过程中可以通过引入现代科技手段，例如虚拟现实技术，为物理实验教学提供更多辅助，同时也应增加实验教学的比重，以此来提高学生的实践能力。教师在教学中应做到因材施教，根据学生的不同需求和特点，设计个性化的教学方法，注重学生心理健康，营造和谐的学习氛围。通过改革教学内容和方法、激发学生学习兴趣、培养学生创新思维与实践能力，使得学生能够全面感受到物理知识的魅力，真正成长为具有创新精神和科学素养的人才。
物理实验的意义在于让学生能够通过真实的物理现象，将抽象的物理理论转化为清晰直观的知识呈现过程。这种“从抽象到具体”的知识转化方式，不仅让学生的学习更加轻松直观，同时也使得物理知识更加贴近实际生活，便于学生理解光学等相关内容。因此，缺乏实验的物理课堂难以称之为真正的科学探究课堂，而如果学生单纯停留在实验现象的观察上，而没有通过科学思维的学习来总结和升华，也无法实现真正的科学学习目标。物理学习的核心精髓在于学生通过实验中的观察、分析和思考，完成从现象到理论的升华，这一过程被视为学生思维发展中从量变到质变的关键飞跃。物理实验之间并不是孤立的知识点，而是构成了一个相互联系、相辅相成的完整体系。当学生能够在一次实验中领悟到与其他实验相关的知识点时，这种跨实验的知识整合便不再是简单的“1+1”，而是乘数效应的知识叠加，极大地提升了学生的学习效果。此外，通过降低实验装置的设计成本，学校可以让更多的学生有机会亲自动手完成实验，避免“一人操作，多人围观”的现象，真正调动学生参与实验的积极性和主动性。如果能够设计出一些简洁易操作的实验装置，使学生能够在家中完成部分实验，既能够有效利用学生的课余时间，还能培养他们的自主学习能力。甚至，在家长的协助下，还能进一步营造出浓厚的学习氛围，帮助形成学习型家庭，为学生的成长提供更好的环境支持和学习动力。
在新时期的教育中，物理实验教学的作用不可替代，它不仅是学生认识自然、了解科学原理的重要工具，更是在学生成长过程中培养科学素养和实践能力的重要组成部分。通过实验教学，不仅能够帮助学生激发学习兴趣、提升学科理解力，还能培养他们的创新意识、科学思维和社会责任感，这对于学生未来的发展具有深远的意义。光学作为高中物理教学的重要内容之一，由于其涉及的知识点相对抽象复杂，学生需要通过实验观察、动手实践来加以理解。因此，优秀的光学实验教学需要依赖科学合理的实验仪器与装置作为支撑，通过改进实验设计、优化实验流程，帮助学生更好地掌握光学理论知识和实验技能，从而推动物理学科教育的全面发展。
1.2 项目研究内容
教学用自动光学演示装置是一款现代化的物理教学工具，其核心控制系统采用了STC89C52单片机，这使得该装置能够高效、精确地执行各项光学实验任务。该装置结合了先进的单片机技术、伺服电机的精准控制、蓝牙模块的远程控制以及光学用具的模块化组合设计，为中学物理实验教学提供了一个直观、互动且充满趣味的学习平台。通过这种装置，物理实验的操作变得更加便捷，学生可以通过生动的演示，更深入地理解复杂的物理概念。装置的关键技术之一是基于STC89C52单片机的伺服电机控制，这一设计在装置的精确操作中发挥了至关重要的作用。通过单片机的精确控制，伺服电机能够准确调整激光枪与镜面之间的相对位置，从而保证实验中激光光束的角度与模式转换能够得到稳定而精准的控制。伺服电机的精确控制不仅提高了实验操作的准确性，也增强了实验过程的可靠性，确保了每一次光路演示都能够符合预期的物理原理和实验需求。
此外，蓝牙模块的远程控制功能使得教师能够在一定距离内通过无线方式控制装置的各项操作，这大大提升了实验操作的灵活性和便利性。教师不再需要直接接触实验装置，而是可以通过手机或平板电脑进行远程操控，调整激光的角度、切换实验模式或选择不同的实验用具。这种远程控制不仅使得教师的演示更加流畅和高效，还提升了与学生之间的互动性。学生能够通过观察教师远程操作过程中的变化，直观地感受到光学实验的演示过程，并更容易理解其中的物理原理。这种互动性为课堂增添了更多的生动性，使学生在参与过程中不仅仅是被动接受知识，更能积极参与到实验的观察与思考中。
装置的光学用具模块化设计也是其一大亮点。通过模块化设计，装置能够灵活组合不同的光学实验器具，以适应不同的教学需求和实验内容。无论是反射、折射，还是光的干涉与衍射，教师都可以通过组合不同的光学元件，如镜面、透镜、玻璃砖等，来展示各类光学现象。模块化设计的优势在于其高度的灵活性和扩展性，教师可以根据不同的教学目的，随时更换或调整光学用具，进行多种实验演示。这不仅提高了装置的适应性，还极大丰富了实验内容，使物理教学更加生动和多样化。
在光学实验中，如何清晰呈现光路是设计的一大挑战。最初，我们使用了点光源（激光照射）来演示光路，但仅能看到一个集中光点，无法有效观察到光的传播路径。为了克服这个问题，我们采用了扩束镜技术，将激光光束扩大为线光源，并保持光束的水平传播。这样，光线便能清晰地投射到屏幕上，使得光路的形成过程更加直观。为了进一步优化实验效果，我们在激光光源的侧面放置了垂直白屏，通过这种设计，光路得到了清晰的展示。实验过程中，装置需要紧贴屏幕放置，并通过调节扩束镜来改变光线的亮度。同时，教师还可以调整激光与屏幕之间的角度，以控制光线的粗细。拍摄实验过程时，我们确保光路细腻且亮度适中，同时避免光线过于耀眼，以确保拍摄的照片能够清晰呈现光路的细节，并突出光线与背景的对比度。这些细致的操作和方法使得光路的呈现更加准确，为学生提供了一个清晰的视觉示范，有助于他们更好地理解光的传播与反射等光学现象。
对于带有刻度的实验，我们特别注意确保刻度清晰可见，以便学生能够精确读取实验数据，进而准确理解物理规律。这些细致入微的实验操作确保了光路的清晰呈现，并使得学生在深入理解几何光学的过程中能够把握实验的每一个关键环节，帮助他们更好地掌握和运用光学原理。通过这些优化和创新，装置成功地将抽象的光学理论转化为具体可见的实验现象，增强了学生对物理学的直观理解，并激发了他们深入探索物理奥秘的兴趣。
二、相关光学实验理论
2.1 光的反射
光的反射是自然界中一种普遍存在的现象，涉及光线在传播过程中由于遇到不同介质的分界面而发生的方向变化。具体来说，当光从一个介质传播到另一个介质时，它会在界面处改变传播方向，并返回到原来的介质中，这一现象便是我们所说的光的反射。光的反射在我们日常生活中随处可见，例如水面上清晰的倒影、玻璃窗上反射的周围景象等。反射现象不仅在自然界中常见，而且它的应用在现代科技中也起到了至关重要的作用，涵盖了从日常生活到专业领域的广泛应用。
光的反射定律是描述这一现象的核心规律之一。它的内容是：当光线与一个分界面发生反射时，入射光线、反射光线和界面法线三者都位于同一平面内；入射角与反射角相等，并且这两者的夹角等于它们各自与法线之间的夹角。反射定律明确指出，光线的入射角和反射角具有相等的大小，这一特性是光的反射现象的核心规律之一，反射过程中的光线并不会发生任何能量的损失或改变，因此能量在反射过程中得以保持不变。通过这一规律，我们能够准确地描述光的反射行为，并在实践中进行有效的控制和应用。
光的反射现象在不同的表面上表现出不同的特征。当光线射到平滑的表面时，反射光线的传播方向较为一致，光线反射后的间距保持相等，形成了一个清晰、规则的反射图像，这种现象通常被称为镜面反射。而当光线射到粗糙的表面时，反射光线则会呈现出漫反射的特征，即反射光线的传播方向各异，导致光线在多个方向上散射。然而，无论表面如何，反射的光线仍然遵循反射定律，即入射角与反射角相等，只不过在漫反射的情况下，光线的分布更加分散。反射的这些不同形式，决定了光在不同表面上表现出的反射效果和性质，从而影响了我们对光学现象的理解和应用。光的反射原理不仅在物理学中具有重要地位，而且在多个领域中得到了广泛的应用。例如，在光学领域，反射镜和镜头的设计与应用正是基于光的反射原理，它们通过反射光线来控制光的传播路径，进而实现不同的光学效果。
在摄影中，反射镜的使用让我们能够清晰地捕捉光线的反射，帮助我们获得精确的图像。而在通信技术中，反射的原理也起到了重要作用，例如光纤通信中利用反射现象来传输信息。此外，光的反射还能够帮助我们更好地理解不同材料的特性和结构。例如，通过观察反射光线的特性，可以推断材料的表面光滑度、折射率、厚度等物理参数，这对于材料科学和工程设计有着极为重要的意义。总的来说，光的反射不仅是一个自然界普遍存在的现象，也是我们理解和掌握物理规律、设计和优化光学系统的重要基础。
图 2-1 光的反射示意图
2.2 光的折射
光的折射是光学中一种基本的现象，指的是光线从一种介质进入另一种介质时，光线的传播方向发生改变的过程。当光线穿越两种不同介质的分界面时，会发生明显的偏折，且光线在新介质中的传播速度发生变化。这种折射现象在我们的日常生活中非常常见，例如，当我们将一支直筷子插入水中时，筷子的部分会显得弯曲，或者当我们透过玻璃窗观察外面景象时，也会看到景物略有偏折。这些现象都能够帮助我们直观地感受到光的折射。
在折射现象中，光线的偏折发生在两种不同介质的交界处。当光线进入第二种介质时，其传播方向会发生偏移，而且这种偏折不会停留在介质的交界面，而是随着光线进入新的介质后持续发生。折射的关键特征是光线传播速度的变化，不同介质对光的传播速度有不同的影响，这使得光线的传播方向和速度发生改变。例如，当光线从空气进入水中时，光的传播速度会减小，从而使得折射光线向水面偏折。
这个变化的程度取决于两个介质的折射率，而折射率则是光在该介质中传播的速度与在真空中传播的速度之比。在折射过程中，光路具有可逆性，也就是说，如果光线从一种介质斜射入另一种介质，它的折射路径在光线反向传播时也会遵循相同的规律。这一特性可以通过实验来验证，例如我们可以让光线在玻璃和水这两种介质之间反复折射，通过观察光线的路径，能够发现光线的传播方向和入射角与折射角的关系是一致的。
因此，光的折射不仅是一个有规律的现象，而且这种规律在不同介质中表现得非常一致。在许多情况下，折射现象常常与反射现象同时发生，特别是在光线进入到某些透明介质时。举个例子，当光线从空气射入水中时，部分光线会发生折射进入水中，而另一部分则会在水面上发生反射。反射光线的传播速度与入射光线相同，而折射光线的传播速度会根据介质的不同而有所变化。这是因为折射现象本质上是光线在不同介质中的传播速度发生了改变，这一速度差异导致了光线的偏折。在光的折射过程中，折射角与入射角之间的关系由斯涅尔定律来描述，该定律指出，光的折射角和入射角的正弦值与两个介质的折射率成比例。
斯涅尔定律公式可以表示为：n₁ * sin(θ₁) = n₂ * sin(θ₂)，其中n₁和n₂分别是入射介质和折射介质的折射率，θ₁和θ₂分别是入射角和折射角。通过斯涅尔定律，我们可以准确预测光线在不同介质中的折射情况，这对于光学仪器的设计和实际应用具有重要的意义。因此，光的折射不仅是一个物理现象，它还为我们提供了研究材料性质、设计光学器件以及理解光与介质相互作用的理论基础。总之，光的折射不仅在自然界中普遍存在，而且其规律在光学领域中具有深远的应用价值。
从光纤通信到眼镜、显微镜等光学仪器的设计，折射原理都发挥着至关重要的作用。理解光的折射现象，对于我们掌握光学的基本规律，并在各个科学和技术领域中进行创新和应用，具有非常重要的意义。
图 2-2 光的折射示意图
2.3 光的漫反射
光的漫反射是光学中一个重要的现象，指的是光线射到不光滑的表面时，由于表面不平整或粗糙，反射光线在不同的方向上散射的现象。当平行光线射到不规则或粗糙的表面时，表面的微小凹凸不平会导致反射光线的反射角度发生变化，从而使得反射的光线不再保持原来的平行状态，而是分散向不同的方向传播。这种反射现象被称为“漫反射”，它使得物体表面的光线反射变得更加均匀且分散。漫反射的本质在于反射光线的分布不再集中，光线的传播方向受到表面不规则性的影响，使得观察者可以从多个不同的角度看到物体的反射光线。这种现象在日常生活中非常常见，许多物体看似光滑平整，但实际上表面是微小凹凸的，从而导致漫反射。
例如，植物的叶片表面、建筑物的墙面、布料的表面等，它们的表面可能看似光滑，但微观结构上存在细小的凹凸不平，这些微小的结构会使得光线在反射时发生分散，导致光线从不同的角度均匀地射出，从而使得我们能够从不同的角度观察到物体的反射光线。漫反射的一个重要特点是它能够让物体表面的光线反射更加均匀，光的反射不会集中在某一个方向，而是向四面八方散射。这意味着无论从哪个角度看，物体的表面都能够反射出一定量的光，因此物体的细节和色彩会更加清晰可见，视觉效果更加丰富。漫反射在视觉感知中的作用尤为重要，它影响了我们对物体的亮度和颜色的感知。
由于漫反射使得光线均匀地散射，观众无论从哪个方向看，都能够获得光线反射的视觉效果，从而让物体的颜色显得更加均匀、鲜明和自然。与镜面反射不同，漫反射并不依赖于观察者的视角，因为它是全方位的反射，使得物体的表面细节在任何角度下都能清晰呈现，这也解释了为什么许多表面材料（如墙面、布料等）可以保持一定的可见性，而不需要特定的观察角度。通过漫反射，我们能够感知到物体的表面纹理和结构，光线的均匀分布使得物体的外观呈现更加生动和细腻的效果。总的来说，漫反射不仅是光学反射的一个常见形式，也是我们日常生活中不可或缺的光学现象，它使得物体表面的光线反射更加均匀、清晰，同时提升了我们对物体的视觉感知能力，使物体的颜色和细节更加丰富和生动。
图 2-3 光的散射示意图
三、教学用自动光学演示装置的整体设计
3.1 装置的设计方案
如图 3-1所示为装置的总体框图。
图 3-1 装置总体框图
教学用自动光学演示装置的总体结构由多个关键组件组成，其中包括单片机作为主控装置、蓝牙模块以及两个独立的伺服电机。这些组件协调工作，共同实现光学实验的自动演示。装置的运作原理是通过手机上的蓝牙应用（APP）发送指令给蓝牙模块，再由单片机接收这些指令并进行处理，进而控制伺服电机按照指定角度旋转，结合物理实验器具展示不同的光学现象。当伺服电机开始工作时，实验器具根据预设的角度变化进行运动，从而演示不同的光学实验效果，帮助学生直观地理解光学原理。
在整个过程中，单片机作为主控单元，起到指挥协调的作用，通过与蓝牙模块的互动，接收手机发送的控制信号，并通过这些信号控制伺服电机的角度调整，实现实验过程中的各项操作。伺服电机模块是该装置中的重要执行部分，它负责根据单片机的指令精确调节物理实验器具的角度。两个伺服电机分别承担不同的任务。第一个伺服电机控制与不同光学实验相关的实验器具的角度变化，具体来说，它可以通过调整不同角度来转换相应的镜面或其他光学组件，使得不同的光学实验模式得以切换。第二个伺服电机则负责调整激光器的角度变化，通过旋转激光器来演示不同光学现象下激光束的变化，如折射、反射等。
通过这两个伺服电机的协调工作，装置能够根据实验需求灵活调整，准确展示光学实验现象。蓝牙模块则是装置中的通信桥梁，起着至关重要的作用。它通过蓝牙技术接收来自手机APP的指令，将这些指令传递给单片机。通过蓝牙模块，用户可以远程控制整个光学演示装置，方便地进行不同光学实验模式的切换，确保实验演示过程的灵活性和高效性。在接受指令后，单片机根据输入的参数控制伺服电机进行相应的动作，调节实验器具和激光器的角度，展示光学实验中的各种现象。总的来说，教学用自动光学演示装置通过精确的控制系统和灵活的执行机制，实现了物理实验的自动化演示，使得光学现象的教学更加直观、便捷。
3.2 装置的特性要求
本次设计的教学用自动光学演示装置与传统的光学物理实验器具有着显著的区别，它不仅仅依赖手动操作，更是通过引入多用途的单片机系统，将自动化与智能控制融入其中，极大提高了实验演示的灵活性和效率。该装置的设计创新体现在两个关键方面：多用途和自动化。首先，装置具备了多用途的特点，它通过在伺服电机上安装不同类型的镜面，进一步拓展了实验的功能和应用范围。例如，装置配备了平面镜、透镜、屏幕不透镜和粗糙镜面等不同类型的光学组件，能够根据不同实验需求进行镜面的切换。
在操作过程中，用户可以通过蓝牙调试界面发出指令，选择不同的实验模式，切换不同的光学元件，从而实现多个光学实验的演示，而不需要更换物理器具。这样一来，一个装置就可以完成多个光学实验的演示，极大地提升了教学过程中的便捷性和多样性。此外，在不同实验模式下，用户还可以通过蓝牙控制界面中的控制角度按钮，灵活调节镜面的角度，从而精确地观察到不同光学现象的变化，进一步加深对光学原理的理解。其次，装置的设计还具备了高度的自动化特性。通过伺服电机控制，装置可以自动切换镜面或调整光学元件的角度，完成实验演示。用户只需通过蓝牙输入指令，伺服电机将自动调整镜面或激光器的角度，从而演示不同的光学现象。整个演示过程不再需要人工干预，所有的操作都可以通过智能控制系统来完成。这种自动化的设计，不仅使得演示更加高效，而且能够确保演示的精确性和一致性，避免了人为操作可能带来的误差或不稳定性。
通过蓝牙控制界面，用户可以轻松地输入不同的角度变化指令，伺服电机便会根据指令执行相应的调整，展示出相应的光学现象。在此过程中，整个装置的工作是完全自动化的，演示过程无需额外的人力辅助，用户仅需发出控制指令，装置便能按照预设的程序完成任务。通过这种自动化和智能化的设计，装置不仅能简化光学实验的操作流程，还能提升教学效率，使得实验演示更加精准和高效，充分展示了该装置的现代化与自动化特性。因此，教学用自动光学演示装置通过多用途和自动化的设计理念，极大增强了其在教育领域中的应用价值，使光学教学变得更加生动、灵活和高效。
四、教学用自动光学演示装置的硬件电路设计
教学用自动光学演示装置的设计要求是实现光学实验的演示，所以该设计将基于单片机作为控制中心，手机蓝牙调试发送指令给蓝牙模块来控制伺服电机旋转的角度，从而实现不同演示实验的转换与激光器旋转角度的变换。蓝牙模块来进行对单片机输入指令，来完成对不同需求的选择。
4.1 教学用自动光学演示装置单片机最小系统电路设计
4.1.1 单片机的选择
表 4-1 单片机种类表
| 单片机种类 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 51单片机 | 学习和开发成本低、通用性广泛、数据计算快 | RAM、ROM容量相对较小，I/O口数量有限 |
| MSP430单片机 | 功耗低、计算速度快 | 不容易上手、占的指令空间较大 |
| STM32单片机 | 自带内置时钟、复位与电源管理I/O口、定时器与串口数量多 | 数据速度较慢、上手比较困难 |
| PIC单片机 | 工作电压低、功耗低、驱动强 | 寄存器多导致使用不方便 |
通过表4-1的对比可以看出，51单片机、MSP430单片机、STM32单片机和PIC单片机各自具有不同的优缺点。在选择教学用自动光学演示装置的主控芯片时，经过综合评估，最终决定选择功能齐全、成本低且速度快的51单片机。具体而言，选择了STC89C52型号单片机作为该装置的主控芯片。STC89C52是由STC公司开发的一款高性能、低功耗的微型控制器，继承了经典的MCS-51内核，并在此基础上进行了多项技术更新和改进，使其具备了传统51单片机所没有的更多功能。STC89C52单片机内部集成了一个8位CPU和可编程Flash存储器，使其在嵌入式控制系统中更具灵活性和高效性。
由于其强大的硬件配置和优异的性能，STC89C52适用于许多复杂的应用场景，广泛应用于家电控制、工业自动化、智能交通等领域。STC89C52单片机不仅在硬件配置上具有优势，其性能表现也非常出色。它配备了8K字节的Flash存储器和512字节的RAM，支持32个I/O接口，配有定时器和4KB的EEPROM。这使得它可以高效地处理大量的数据存储和计算任务。除此之外，STC89C52还采用了MAX810复位电路，并配有全双工串行口，能够支持更为复杂的通信协议和更高的系统稳定性。
其静态逻辑操作和CPU可在无任务时暂停工作的特点，帮助其在无任务时节省功耗，同时保持关键组件的运行，确保系统能够在低功耗状态下稳定工作。此外，STC89C52单片机具备断电数据保存功能，能够有效地保护RAM中的数据，即使在断电的情况下，也能避免数据丢失。其最高运行频率可达35MHz，且支持6T和12T两种速度选择，这为不同应用场景下的控制需求提供了灵活的配置方案。与传统的AT89C51单片机相比，STC89C52在内存和运算性能上有着显著的优势。AT89C51仅配备了128字节的内存和4位的运存，难以满足较为复杂的应用需求，而STC89C52则配备了256字节的内存和8位的运存，为更复杂的应用提供了更大的空间。此外，STC89C52的6T速度使得其执行速度更快，能够更高效地完成任务。
在设计程序时，虽然需要对延时参数进行调整，以适应STC89C52的运行速度，但这一点与其高效的执行性能相比，影响较小。在初步选择单片机时，虽然AT89C51是一个备选方案，但由于它仅支持通过编程器进行编程，导致编程效率较低。经过综合考虑内存、速度、编程便利性等因素，最终决定选用STC89C52单片机。该单片机不仅内存更大、运行速度更快，而且支持ISP功能，通过USB转串口的方式可以直接下载程序，从而大大提高了开发效率。综上所述，STC89C52以其优越的性能和灵活的编程方式成为了本次教学用自动光学演示装置的理想选择，能够满足项目对控制精度、运行效率和开发便捷性的多重要求。
图 4-1 STC89C52 芯片引脚图
图 4-2 STC89C52 单片机实物图
4.1.2 复位电路设计
复位电路的设计是单片机系统中一个至关重要的部分，主要通过复位引脚将单片机恢复到初始的开机状态。复位电路的作用相当于为**中心处理器(CPU)**提供一个“重启”机制，它能够确保单片机在启动或遇到异常情况时，重新进入一个已知的正常工作状态。单片机在启动时需要通过复位过程，保证其CPU和各个硬件模块能够恢复到初始状态，确保系统能够从程序的初始化部分开始正确运行。
如果没有合适的复位机制，单片机可能会因为硬件或程序问题处于不稳定状态，甚至发生“死机”或程序丢失的现象。因此，复位电路设计的质量直接影响到设备的可靠性和稳定性。如果设计不当，可能会导致单片机无法正常启动，或在运行过程中发生故障，影响整个系统的正常工作。复位电路通过保证每次开机或断电重启时，单片机能够从一个已知、可控的初始状态开始运行，进而有效预防故障的产生，确保系统稳定性和可靠性。
复位电路不仅在系统上电时起作用，它还在遇到异常状况或故障时提供了一种自动恢复机制，使得单片机能够重新回到初始状态，从而消除潜在的错误或故障。在不同型号的单片机中，复位电路的设计有所不同，因为各单片机的硬件架构和工作机制存在差异。然而，所有单片机的复位电路都具有相同的核心目的：确保系统能够在任何异常情况下都能回到一个稳定、可预测的状态，防止程序错误或设备故障影响正常工作。
图 4-3 复位电路图
STC89C52 单片机的按键上电复位如图 4-3 复位电路图所示，只需在 RST 复位输入引脚上接电容，然后再并联一个电阻与电容就行，如要复位只需在电阻按键相通，使得电容短路即可，通过复位后，装置就把端口置为“l”状态。
4.1.3 晶振的选择
晶振的选择对单片机的工作速度和稳定性具有极其重要的影响。晶振，即晶体振荡器，是单片机内部时钟电路的核心组件，用来生成单片机所需的时钟信号。时钟信号的频率直接决定了单片机的运行速度，而频率的稳定性则直接影响到单片机系统的运行稳定性。换句话说，晶振的频率决定了单片机处理任务的速度，频率的波动则可能导致系统的不稳定或错误。因此，选择合适的晶振不仅需要考虑单片机的最高运行频率，还要根据实际应用的需求做出权衡。以STC89C52单片机为例，其最高运行频率为35MHz，意味着该单片机在理论上可以以35MHz的频率运行。
但在实际应用中，通常不会选择如此高的频率，因为较高的频率会带来较大的功耗和电磁干扰，可能影响系统的可靠性和其他电子设备的正常工作。因此，选择合适的晶振频率需要综合考虑系统的复杂度、实时性要求和功耗控制等因素，通常我们会选择一个适中的频率，以平衡性能与功耗。除了频率之外，晶振的质量同样是选择过程中的重要考量。高质量的晶振具有更高的频率稳定性和更低的相位噪声，能够提供更加准确和稳定的时钟信号，从而确保单片机能够正常、高效地运行。低质量的晶振可能导致时钟信号的不稳定，进而影响单片机的执行效率和准确性，甚至可能导致系统崩溃或异常工作。
因此，选择晶振时，不仅要关注其频率，还要确保其具有足够的稳定性和较低的噪声。此外，常用的晶振频率在单片机应用中也有一定的规律。例如，12MHz、11.0592MHz和24MHz是常见的选择，其中12MHz和24MHz的晶振频率在大多数单片机系统中较为常见。这些频率在实际应用中能够满足大多数系统对运行速度的需求，并且它们的稳定性和可获取性也较好。而11.0592MHz的晶振则常用于那些需要精确波特率匹配的串行通信场合，因为其频率与常见的波特率（如9600、19200、38400等）非常接近，能够保证通信过程中的数据传输精度和可靠性。综上所述，在选择晶振时，我们需要从多个方面进行综合考虑。
首先要确保选择的晶振能够满足单片机的性能要求，既不至于频率过高导致功耗过大和干扰过强，也不应选择频率过低导致性能不足。其次，晶振的质量必须足够好，以确保频率的稳定性和信号的精准度。最后，价格也是选择晶振时要考虑的一个因素。在满足系统性能需求的前提下，选择一款性价比高、质量可靠的晶振，是设计高效、稳定单片机系统的关键一步。
4.2 教学用自动光学演示装置伺服电机电路设计
在教学用自动光学演示装置的设计最重要的就是对伺服电机的控制。伺服”—词在希腊语中的意思是“奴隶”。伺服系统这一名称源于其特性，即在接收到控制信号后，能够精确、迅速地响应并执行相应动作。在这一系统中，转子在信号到达前保持静止，一旦接收到信号，转子便立即开始运转；当信号消失时，转子能够迅速自行停止。因其卓越的伺服性能，这一系统被命名为“伺服机构”。
图 4-4 伺服电机实物图
4.2.1 伺服电机的发展
在20世纪80年代初，中国正处于改革开放的初期阶段，经济体制和产业结构正在逐步发生深刻变化。与此同时，世界上许多工业发达国家，特别是美国、日本、德国等国，已经在伺服控制技术领域取得了显著进展，并推出了一系列拥有自主知识产权的高性能伺服产品。这些国家的伺服电机技术在全球范围内获得了广泛的认可和声誉，尤其是德国的西门子、日本的安川、三菱等公司，它们的电机产品不仅在技术创新方面处于领先地位，而且在全球市场的竞争中占据了重要份额。随着全球工业技术的不断发展，伺服技术的研究和应用逐渐成为国内外各大企业和知名学术机构关注的热点领域。
许多企业和研究机构投入大量资源，致力于开发符合现代工业生产需求的高性能伺服系统，推动了伺服控制技术的快速发展。这些企业在高速、高精密电子技术方面展现了卓越的能力，并在技术创新上不断突破，逐步形成了完善的伺服产品体系。部分领先的伺服产品甚至采用了同轴电缆通信技术，其数据传输速度不低于5Mbit/s，这一技术的应用有效地降低了信号传输过程中的延迟，并显著增强了伺服系统在恶劣环境下的抗干扰能力，使得伺服控制系统更加稳定和高效。相较之下，我国的伺服电机技术曾一度滞后于国际先进水平，但自2013年产业升级以来，我国在伺服电机领域的自主研发能力和生产水平逐步成熟，并取得了显著的进展。特别是在近年来，随着国家政策的支持和工业技术的不断进步，我国在伺服电机领域逐渐崭露头角，国内市场上已经有20多个大规模伺服电机品牌开始崛起，涵盖了从低功率到中高功率的各类伺服电机。
根据市场需求，目前国内的伺服电机大多功率在22kW以内，这些产品广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等各个领域，体现了中国伺服电机技术的飞速发展。主要制造商包括中国中部数控、南京埃斯顿自动化、广州数控等，这些企业已经在国内外市场上占有了一定的份额，且逐步提升了技术创新和产品性能。尽管我国伺服电机产业取得了显著进展，但与国际先进水平仍存在一定差距，特别是在高精度、高速伺服控制和核心技术方面，还需要进一步加强研发投入和技术积累。因此，国内伺服电机产业仍需继续努力，致力于在全球市场上实现跨越式发展，提升整体产业水平，以满足日益增长的工业自动化需求，并逐步缩小与国际先进技术的差距。
4.2.2 伺服电机的特点
伺服电机（servo motor）是伺服系统中用于调控机械元件运动的发动机，是一种通过辅助马达间接实现变速的装置，在自动化控制系统中具有重要作用。伺服电机的主要功能是识别电压信号并将其转化为电机的转矩与转速，从而驱动控制对象的运动。作为自动控制系统的核心元件，伺服电机的转速受输入信号的精确控制，反应速度快、响应灵敏。
凭借其卓越的机电时间常数小、线性度高等特点，伺服电机能够高效地将电信号转换为电动机轴上的角位移或角速度输出。在各行各业，伺服电机被广泛应用于自动化领域，旨在提高控制精度和生产效率。伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类。它们的共同特点是，当信号电压为零时，无自转现象，并且其转速会随着转矩的增加而匀速下降。
与其他电机相比，伺服电机具有以下显著特点：
（1）启动转矩大。由于伺服电机的转子电阻较大，与普通电动机的转矩特性曲线相比，存在显著差异，使得伺服电机的临界转差率S0>1，转矩特性更接近线性，能够提供更大的起动转矩。当定子电压被控制时，转子能够立即启动并开始转动。
（2）无自旋现象。在正常运行的伺服电机中，一旦失去控制电压，电机将立即停止运转。失去电压后，伺服电机将进入单相运行状态，转子电阻较大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子相互作用，产生多个转矩特性，从而避免了自旋现象。
（3）运行范围广。伺服电机能够在较大的转速范围内稳定工作，适应不同工况下的需求，具有较好的适应性。
（4）运转平稳。伺服电机在低速运行时不会发生转子振动，尤其是在交流伺服系统中，它具备共振抑制功能，能够适应机械刚性不足的情况，并通过系统的频率解析功能（FFT），检测出机械的共振点，便于系统做出调整，确保平稳运行。
（5）较强的过载能力。伺服电机具有较强的速度和转矩过载能力，能够应对负载波动和启动瞬间的惯性力矩，最大转矩可达到额定转矩的2-3倍，从而实现平稳、稳定的启动。与步进电机相比，伺服电机避免了力矩浪费，并提供高效稳定的解决方案，从而降低了系统的维护成本。
4.2.3 伺服电机的具体使用方法
伺服电机的每一相绕组线圈按一定的时序通电，从而使电机旋转。伺服电机的控制原理是通过精确控制电机内部的电压差来调节电机的转动方向和角度。电机内部有一个基准电压，通过单片机的PWM线进入电机，产生直流编制电压，从而引起电机内部的电压差比较。
这个电压差的正负则决定了电机旋转的方向，若电压差为正，则电机按一个方向旋转，若电压差为负，则电机按相反方向旋转。当电机通电开始旋转时，电机内部通过级联减速齿轮驱动电位器进行旋转，使得基准电压的电压差为零，电机便停止转动。
因此，使用伺服电机时，无需了解其复杂的内部结构，用户只需要通过控制PWM信号线来调节电机的转动即可。针对这种需求，我们需要利用单片机生成周期为20毫秒，且高电平持续时间在0.5毫秒至2.5毫秒之间的方波信号，这可以通过定时器+中断的方式产生。生成的PWM波形如图4-5所示，可以精确控制伺服电机的转动角度和方向，达到所需的控制效果。
图 4-5 伺服电机方波图
伺服电机的工作方式主要包括几种控制模式，每种模式根据其不同的控制要求和应用场景具有不同的特点和优势。首先是位置控制模式，这是伺服电机最常用的控制方式。在这种模式下，通过上位机发送一定频率的高速脉冲信号，配合方向信号来实现电机的正反转。
上位机可以是PLC、单片机、手动脉冲发生器等，用户通过调整脉冲的频率来改变伺服电机的转速，从而实现精确的运动控制。位置控制模式的优势在于，它不仅能够精确控制电机的位置，还能够通过控制脉冲的频率来间接控制电机的速度，因此在需要高精度运动控制的应用中非常常见。其次是速度控制模式，这种模式通过模拟量来控制电机的旋转速度。
尽管速度控制模式可以有效调节电机的转速，但由于它的控制精度相对较低，而且模拟量信号容易受到外界干扰，因此应用相对较少。相比之下，位置控制模式不仅能够控制电机的速度，而且精度更高，且控制更加稳定，因此在大多数应用场合中，位置控制模式是优选方案。再者是转矩控制模式，该模式通过模拟量来控制伺服电机的输出扭矩。
这种模式通常用于一些需要恒压控制的应用场合，尤其是在与位置控制结合使用时，能够实现闭环控制，从而进一步提升控制效果，达到更高的精度和稳定性。除此之外，伺服电机还可以根据不同的控制需求进行分类，如速度控制（VW）模式、力矩控制（TW）模式、位置控制（PW）模式和压力控制（PW）模式等。每种模式都有其特定的应用领域，能够根据实际需求进行灵活选择，从而更好地满足不同场合下的控制精度和响应要求。
图 4-6 伺服电机结构图
在设计教学用自动光学演示装置时，所选用的伺服电机为SG90型号伺服电机，该电机常见于各种小型控制系统中，具有广泛的应用场景。SG90伺服电机有三条连接线，具体连接方式为：红线连接至VCC高电位，为伺服电机提供电源；棕色线连接至GND低电位，作为地线；而橙色线则连接至PWM信号线，用于接收控制信号。在该电机的工作原理中，橙色的PWM控制线起着至关重要的作用，它负责传递角度控制信号。
具体而言，伺服电机的角度控制是通过调整PWM信号脉冲的持续时间来改变电机的转动角度的。一般来说，伺服电机的控制信号要求在20ms的周期内，其中高电平部分的持续时间控制电机的转动角度，这个高电平脉冲的宽度通常在0.5ms至2.5ms之间，而整个信号周期为20ms。例如，1.5ms的脉冲宽度通常会将伺服电机转动到90度的位置，即中立位置；而当脉冲宽度小于1.5ms时，电机会朝0度方向旋转，反之，当脉冲宽度大于1.5ms时，电机会朝180度方向旋转。对于180度舵机，脉冲与角度之间的关系是：0.5ms脉冲对应0度，1ms脉冲对应45度，1.5ms脉冲对应90度，2ms脉冲对应135度，而2.5ms脉冲对应180度。
这种脉冲宽度调制（PWM）技术使得舵机的控制既精确又快速，因此对脉冲的时间和频率要求较高，必须根据实际情况进行调整，以实现最佳的控制效果。在实际应用中，舵机控制系统需要根据PWM信号的脉冲宽度来精确控制电机的旋转角度，从而实现期望的动作。这种控制方式非常适合于需要精确定位和运动控制的场合，确保伺服电机可以根据控制信号进行稳定且准确的运动。
4.3 教学用自动光学演示装置蓝牙模块的设计
单片机控制装置中为了控制装置的工作状态，涉及到向装置输入相应的数据，所
以装置应设有蓝牙，从而实现人际互动，蓝牙模块如图4-7所示。
图 4-7 蓝牙模块图
在使用蓝牙模块前要对蓝牙模块进行设置，常见配置指令如下表4-2。
表 4-2 蓝牙常见配置表
| 指令名 | 响应 | 含义 |
| AT+RESET | OK | 模块复位 |
| AT+ORGL | OK | 恢复默认状态 |
| AT+ADDR? | +ADDR:A OK | 获得蓝牙模块地址 |
| AT+NAME=A | OK | 设置设备名字A:想要设置的名字 |
| AT+NAME? | +NANE:A OK | 获得设备名称 |
| AT+PSWD=ABCD | OK | 设置模块密码ABCD:想要设置的密码；默认为“1234” |
| AT+PSWD? | +PSWD:ABCD OK | 获得模块密码 |
| AT+UART=A,B,C | OK | 设置串口参数A：波特率；B：停止位；C:校验位 |
| AT+UART? | +UART:A,B,C OK | 获得串口参数 |
| AT+ROLE=A | +ROLE:A OK | A：参数取值如下：0-从角色；1-主角色；2-回环角色；默认值：0 |
在本装置中，将蓝牙设置为：
AT+NAME=LJC;
AT+ROLE=0;
AT+UART=9600,0,0;
AT+PSWD=0770;
AT+CMODE=1;
4.4 教学用自动光学演示装置整体电路的设计
为了实现本装置的最终功能，我们需要将各个模块进行有机结合，确保模块之间的功能衔接顺畅。
将单片机与模块连接到指定 I/O 口，所设置如图4-8 所示。
图 4-8 电机信号 I/O 口连接
蓝牙模块连接单片机 RX/TX 串口 I/0 口。
最后将单片机系统与传统光学教具结合，具体图片见图 6-10 与 图 6-11所示。
仿真电路图见详细资料获取方式。
通过以上步骤，我们可以实现本装置的最终功能，使其在实际应用中发挥出应有的价值。同时，也要关注装置的可持续性发展，为后期功能扩展和升级留有余地，以满足不断变化的市场需求。
五、教学用自动光学演示装置软件设计
5.1 教学用自动光学演示装置的开发所用软件
图 5-1 Keil 创建工程界面
在设计教学用自动光学演示装置时，单片机的开发工作主要依赖于Keil4软件，它是Keil公司推出的一款广泛应用于嵌入式系统开发的集成开发环境（IDE）。Keil4软件的开发环境包含多种工业标准开发工具，并且支持使用C语言进行编写、编译、链接和生成目标代码（Hex文件）。在该环境下，用户可以通过Keil4进行高效的代码编写和调试，从而生成适用于89C51内核的单片机的程序代码。这些目标代码不仅可以用于电路仿真，还可以通过适配器下载到实际的单片机硬件中进行测试和验证。Keil4软件平台提供了多种功能，其中之一是可以将目标文件转换为Hex格式的工具，这个工具可以极大地方便后续的程序烧录和单片机应用开发。通过Keil4平台，开发者可以直接将C语言程序编译成单片机所能识别的机器代码，并通过编程工具将这些代码烧写到实际的硬件中。此外，大学课程中的C语言程序设计和Keil4编译软件的学习为开发过程提供了坚实的知识基础，帮助学生和开发者能够理解和掌握嵌入式系统开发的基本概念和技术细节。Keil4的强大功能使得嵌入式开发过程更加便捷和高效，尤其适合教学和实验室环境，帮助学生理解如何在实际硬件上实现控制和通信等操作。
5.2教学用自动光学演示装置软件的设计
5.2.1 代码的编写
打开 Keil4 软件进行程序编写，首先创建工程，然后进行程序编写。如图 5-1 Keil4 创建工程界面所示。选择 在b 站选择教学视频进行学习，在Keil4 软件基本了解以后，开始进行代码的整体结构构思，并参考文献。进行教学用自动光学演示装置的软件代码编写，代码编写完成后如图 5-2 运行代码所示。在程序编写完成，运行没有错误出现时开始运行。由于最后需要把程序代码烧入仿真和实物芯片，需要生成 HEX 文件，运行时需要在输出窗口中这样设置创建.hex 文件如图 5-3 所示。
图 5-2 运行代码
图 5-3 创建.hex 文件
5.2.2 程序框图设计
图 5-4 程序流程图
教学用自动光学演示装置的核心程序主要由驱动伺服电机程序和蓝牙通信程序等几个关键模块组成。具体而言，驱动伺服电机程序的主要功能是根据蓝牙模块接收到的指令来调整装置的旋转角度和切换运行模式。也就是说，用户通过手机应用程序上的按键输入指令，能够实时控制光学演示装置的运行模式以及旋转角度，进而满足不同教学场景的需求。这些指令通过蓝牙模块传递，最终驱动伺服电机按照要求进行运动或模式切换。蓝牙模块在系统中扮演着至关重要的角色，它负责接收用户从手机端传输的指令，并将这些指令解码后传输给单片机。
根据指令的不同类型，蓝牙模块执行相应的操作。例如，当用户发送增加旋转角度的指令时，蓝牙模块会将该指令传送给驱动伺服电机程序，从而增加光学演示装置的旋转角度。类似地，当用户选择切换模式的按键时，蓝牙模块将接收到的模式切换指令转发给驱动程序，确保演示装置切换到用户选择的模式。整个系统的运作依赖于主程序的实时控制，它运行在高性能的单片机STC89C52上，负责处理来自蓝牙模块的串口信息。主程序的任务是不断地监听蓝牙模块发送过来的操作指令，并根据指令的内容及时做出反应，控制系统的工作状态和动作。
当主程序检测到蓝牙模块传来的指令发生变化时，它会根据指令的不同类型（如旋转角度的变化或模式的切换）进行适当的处理，并同步驱动伺服电机进行精确控制。通过这种方式，用户输入的每一个指令都能快速、准确地反映在光学演示装置上，从而保证演示效果的实时性和准确性。此外，程序流程图（如图 5-4所示）进一步明确了各个模块间的协作过程，展示了整个系统从接收蓝牙指令到驱动伺服电机执行任务的工作流。
5.2.3 伺服电机的控制
图 5-6 伺服电机的控制程序流程图
在装置接入电源以后，伺服电机的控制开始初始化，在单片机接收了蓝牙模块接收到指令后进行工作。伺服电机的控制程序流程图如图 5-6 所示。
教学用自动光学演示装置接上电源以后伺服电机的控制开始初始化，初始化结束后模式电机与角度电机角度为零度，也就是说现在的模式为初始模式与激光角度为零。当蓝牙控制中按下模式转换键以后开始改变模式电机的角度从而进行模式的转换，在确定演示模式后，可以再次选择在此模式下激光的角度，可以进行角度增加、减少与复零操作，在角度电机复位后，可以再次进行模式电机转换，进行其他光学实验的演示，直到结束。
5.2.4 蓝牙模块的控制
教学用自动光学演示装置接入电源以后，蓝牙模块程序开始初始化。蓝牙模块的
程序流程图如图5-7 所示。
图 5-7 蓝牙程序流程图
当光学演示装置接通电源后，蓝牙模块的控制过程便开始了初始化操作，标志着整个系统的启动。此时，蓝牙模块进入了一个至关重要的初始化过程，它就像启动一台精密的机械设备一样，每一个步骤都不可或缺，确保设备能够顺利运行。首先，蓝牙硬件会进行一系列自检操作，检查其内部各个关键组件是否正常工作，这些组件包括射频收发器、基带处理器以及链路管理器等。如果自检过程中所有功能都正常，蓝牙设备便会开始主动搜索周围是否有其他蓝牙设备，并尝试寻找可以建立连接的伙伴设备。
在搜索的过程中，蓝牙模块会发送一种叫做“询问”信号的广播信号，主动询问附近的设备是否愿意建立连接。同时，蓝牙设备也会接收来自其他设备的“回答”信号，通过这些回应，蓝牙模块能够确定哪些设备处于可连接状态。此时，连接的成功与否会受到周围设备数量、信号强度等因素的影响，搜索过程需要一定的时间才能完成。
一旦蓝牙设备发现了可连接的伙伴设备，接下来的步骤就是配对过程。配对过程是为了确保连接的设备之间具有足够的安全性和授权性，通常用户需要输入一个配对码，这个过程相当于对设备进行身份验证，确保只有授权设备才能建立连接。当配对成功后，两个设备之间的通信链路便建立起来，之后它们就可以开始进行数据传输和通信。整个过程的顺利进行为后续的指令传输和设备控制奠定了基础，确保了蓝牙模块能够与手机等控制端建立稳定的连接，进而控制光学演示装置的工作。
6、教学用自动光学演示装置的测试
6.1 实物介绍
该教学用自动光学演示装置的实物组合主要包括三个关键部分：STC89C52单片机、SG90伺服电机和蓝牙模块。其中，STC89C52单片机在整个系统中担任着核心的控制器和数据传输的关键角色。它负责接收来自用户输入的按键指令，并根据这些指令进行相应的处理，进而控制整个光学演示装置的运作。单片机通过其内置的处理能力，确保指令能够被及时、准确地解读，并转化为相应的动作指令，控制其他硬件设备的工作。
SG90伺服电机则在系统中扮演着动力输出的角色，具体来说，它负责执行由单片机发出的指令，精确地调整光学演示装置的角度和模式。伺服电机的精确控制能力确保了设备的旋转角度能够根据用户的需求进行调整，无论是角度增加、角度减少，还是角度复零，伺服电机都能够响应并执行指令，确保装置的运行精确无误。此外，伺服电机还能够根据不同的模式选择指令进行切换，提供多种操作模式供用户选择。为了方便用户输入指令，系统特意设计了多个按键，包括角度增加、角度减少、角度复零和三个模式选择的功能按键。这些按键的作用是让用户通过简单的操作，实时向单片机传输控制指令，从而调整演示装置的工作状态。
例如，按下“角度增加”按键后，单片机会控制伺服电机增大旋转角度；而按下“模式选择”按键时，系统会根据用户选择的模式切换装置的工作状态。通过这些功能的设计，教学用自动光学演示装置不仅能够提供高度灵活的操作性，还能确保在不同教学场景下的应用效果，使得学生能够更加直观地理解光学原理和设备控制。
6.2 仿真测试步骤
教学用自动光学演示装置在仿真中主要是由两个伺服电机与六个按键构成，如图6-1所示。
图 6-1 仿真电路图
在本次仿真中，将蓝牙通信的输入指令转化为六个按键，用来模拟蓝牙通信。
6.2.1 将仿真进行运行并下载代码
图 6-2 仿真电路下载与运行
6.2.2 模式转换的测试
在仿真中，使选择拨码开关的一号至开键， 此时电机处于模式一， 及光的折射实验的演示如图6-3所示。
图 6-3 模式一
选择拨码开关的二号至开键，此时电机处于模式二，及光的反射实验的演示如图6-4所示。
图 6-4 模式二
选择拨码开关的三号至开键，此时电机处于模式三，及光的漫反射实验的演示如图6-5所示。
图 6-5 模式三
6.2.3 旋转角度转换的测试
当无模式选择时，此时旋转角度按键不能使用，如图6-7所示。
图 6-6 无模式角度
当在任意模式下摁下角度增加按键，如图6-7所示。
图 6-7 角度增加
当在任意模式下摁下角度减少按键，如图6-8所示。
图 6-8 角度减少
当在任意模式下摁下角度归零按键，如图6-9所示。
图 6-9 角度归零
6.3 实物测试步骤
首先，我们需要对实物进行不同功能的测试，这一步骤至关重要。其核心目的是对产品的各个组成部分和功能模块进行详细的检查，确保它们在实际的工作环境下能够顺利、稳定地运行。在这一阶段，我们不仅要验证产品各项功能是否按预期工作，还需要及时发现潜在的问题和缺陷，这些问题可能在日常使用中不会立即暴露出来，但通过详细的功能测试，我们可以提早识别并解决。通过对不同功能模块的逐一测试，我们能够明确每个功能在操作过程中的表现，进一步了解产品的性能边界，并为后续的性能优化提供可靠的数据支持。测试过程还可以帮助我们了解各个模块的负载能力、响应速度、稳定性等关键参数，为日后的改进和提升提供科学依据。完成了各个功能的单独测试后，接下来的步骤是进行整体实物测试，这一阶段的主要目标是验证产品在实际使用场景下的综合性能。
这不仅是对各个独立功能的测试总结，更是对产品在真实环境中能否稳定工作、满足需求的全面考察。在实际操作过程中，我们将模拟真实用户的使用习惯和环境条件，确保产品能够适应各种不同的使用场景，包括不同的操作方式、不同的环境温度、湿度等变量，从而全面评估产品在外观、性能和耐用性等方面的表现。这一阶段的测试为确保产品在不同场合下都能稳定运行提供了重要保障。进行整体实物测试时，我们需要特别注意几个关键点。
首先，全面性是不可忽视的，测试必须涵盖所有可能的使用场景和操作情况，只有这样才能保证没有任何潜在问题被遗漏。其次，严谨性也非常重要，测试环境必须尽量贴近实际使用环境，确保测试结果能够真实反映产品的性能表现，这样才能确保测试的有效性和可靠性。第三，重复性是测试中的另一个关键要素，为了确保测试结果的稳定性和可靠性，我们需要进行多轮的重复测试。通过多次反复的测试，可以有效地排除偶然因素的影响，确保产品在长时间使用中的稳定性。
最后，分析与优化是测试过程的最后一环。在测试过程中，我们不仅要发现问题，更要深入分析每个问题的根本原因，找出导致问题的具体原因，并针对性地提出解决方案。只有通过优化和改进，才能进一步提升产品的整体性能，确保它在各种复杂环境下都能高效稳定地运行。
6.4 结果分析
在进行测试过程中，本装置的基本功能已经实现，并对多个关键环节进行了详细的检验与验证。首先，对于激光器旋转装置的稳定性进行了评估，确保其在运转过程中保持平稳，不会出现抖动或不均匀的情况。通过一系列的旋转测试，验证了激光器的旋转过程是否稳定，确保其在任何操作条件下都能够按照预期执行，不会因为机械或控制系统的缺陷而影响演示效果。接着，测试了激光器旋转过程是否便于观察，旋转速度是否适中。
通过多次实验，观察激光器旋转时的可视效果，确认其旋转过程既不太快也不太慢，速度恰到好处，既能够清晰呈现旋转过程，又不会因为过快而难以跟上其变化。旋转角度的设置确保了用户在使用过程中能够方便地观察到激光束的路径与反射变化，提升了教学演示的直观性和易懂性。进一步测试了在切换不同演示实验项目时，镜面变换的位置是否正确，以及光线的接收与反射是否合适。这一环节对于展示光学原理至关重要。
测试结果表明，镜面切换时位置准确，确保每一次切换后光线的入射和反射角度均能达到预期的要求，保证了每个实验项目的演示效果和准确性。随后，对蓝牙模块的正常工作状态进行了检查，验证了其是否能够有效接收来自外部控制端的指令。测试确保蓝牙模块能够准确接收并解析指令，确认这些指令能够无误地传输给STC89C52单片机，并且在接收到指令后，系统能够按照指令进行正确的响应，完成所需的动作。
这一测试确保了无线控制的可靠性和稳定性。最后，进行了开关机后的反复测试，确认产品在开关机后能够恢复到相同的工作状态，保证了产品性能的稳定性。测试结果表明，两次开关机后的测试结果基本一致，设备在不同的启动状态下依旧能够稳定工作，且每次操作后性能无显著变化。通过这一系列测试，验证了装置的各项功能均能够正常运行，激光器旋转稳定、速度适中，镜面切换位置准确，光线的入射与反射合适，蓝牙模块能够稳定接收指令并做出正确响应。测试结果证明，设备整体性能优异，能够满足预期的功能需求。最后，设备的正反面外观如图6-10与图6-11所示，展现了其完整的设计和工艺细节。
图6-10 实物正面图
图 6-10 实物反面图
6.4.1 蓝牙通信的分析
在本次蓝牙通信测试中，蓝牙模块成功实现了手机与单片机之间的数据传输，确保了手机上预设的指令能够顺利地发送到单片机并被执行。测试的首要步骤是对蓝牙模块进行详细的了解和分析，深入掌握其工作原理以及所采用的通信协议，这为后续的调试和编程工作提供了理论支持。紧接着，我们根据实际需求，对单片机进行了相应的编程，以确保其能够正确解析和执行从手机发送的指令。
这一过程不仅涉及到程序的编写，还包括对指令格式的规范化和数据接收的准确性保障。测试过程中，我们遇到了一些挑战，例如蓝牙连接的稳定性和数据传输速率等问题。这些问题在初期测试时表现得较为明显，导致连接过程中的时延和不稳定现象。为了确保测试的顺利进行，我们对这些问题进行了深入的分析，并通过调整蓝牙模块的配置、优化单片机接收和解析数据的程序，以及加强蓝牙信号的抗干扰能力，最终实现了蓝牙模块的稳定通信。
特别是在使用蓝牙调试APP时，我们选择了按键模式进行操作。按键模式允许我们将特殊字符赋予按键，并为这些字符命名，以便在调试过程中更加清晰地标识和操作。这种方式不仅大大简化了测试过程，还提高了设备设置和调整的效率，确保设备始终处于最佳的工作状态。具体来说，在蓝牙模块的测试过程中，首先要完成蓝牙连接。在连接开始时，蓝牙模块的指示灯会以较快的速度进行闪烁，进入配对模式，闪烁的频率大约为每秒两次。待连接成功后，蓝牙模块的指示灯闪烁速度会显著变慢，约为每两秒闪烁一次，这标志着设备已经成功连接并准备好接受数据。
此过程的灯光变化，如图6-11与图6-12所示，清晰地展示了连接状态的转变。通过这一系列操作，我们不仅成功实现了蓝牙模块与单片机之间的通信，还为后续可能的优化和扩展提供了基础数据和经验支持。
图 6-11 蓝牙模块未亮图
图 6-12 蓝牙模块亮图
图6-13 蓝牙模块控制图
在操作系统中将光的反射设置为发送“0x01”；光的折射设置为发送“0x02”；光的漫反射设置为发送“0x03”；激光器的旋转角度增加设置为发送“0x04”；激光器的旋转角度减少设置为发送“0x05” ； 激光器的旋转角度复位设置为发送“0x06”；在蓝牙调试app中，按键模式页面如图6-13所示。
6.4.2 电机运行的分析
在实物电机中，其功能的实现主要通过两种方式：模式的切换和激光器角度的改变。
模式的切换是电机功能实现的关键之一。通过对模式的精确控制，电机可以适应不同的工况需求，发挥出最佳性能。在实际应用中，模式切换的顺利进行，保证了电机在各种环境下都能保持稳定的运行。
图6-14 光的反射图
激光器角度的改变也是电机功能之一。通过电机的旋转，实现对激光道路角度的控制，在实验中还可以通过切换到后半角度从而实现对于光的折射的功能演示。
结果如下图所示.
图6-14 光的折射图
图6-14 光的漫反射图
七、总结：
本课题的设计主要聚焦于中学光学实验中，针对光的折射、反射与漫反射等现象的演示。传统的光学实验通常需要手动组装各种光学器材，并且在实验过程中，器具的频繁拆装和使用往往会导致设备的损坏和实验精度的降低。而在本次设计中，我们通过创新的思路解决了这一问题，旨在开发一款多功能、自动化的光学实验装置，不仅能够演示多个光学现象，而且在实验过程中具有高度的自动化和便捷性。
具体而言，本装置在设计时考虑了两个关键方面：一方面，我们力求实现多用途功能，即一个装置能够完成多个光学实验，而不仅仅局限于演示某一单一的光学现象；另一方面，装置的设计充分注重自动化，通过蓝牙模块发送不同的指令，实现多个实验项目之间的自动切换，使得光学实验的演示能够一气呵成、流畅进行，减少人为干预，保证实验过程的稳定性和可重复性。在整个设计过程中，我主要采用了STC89C52单片机作为核心控制部件。该单片机的强大处理能力和广泛应用，使得装置在多个方面展现出极高的灵活性和自动化特性。通过对硬件和软件模块的精细设计及优化，我们成功地实现了装置的多功能化，并确保其在不同光学实验演示之间的顺利切换。本文完成的主要任务是在硬件设计和软件编程之间建立起紧密的协作关系，以确保系统的高效运行与功能实现。为了最大化满足用户需求，装置的设计遵循了实用性、开放性和方便性的核心原则。
首先，实用性是设计的首要原则。为了确保装置能够在不同环境和应用场景下稳定运行，我对每个功能模块进行了精心的优化设计。无论是在硬件的选型、控制系统的配置，还是在软件的编程和调试方面，都力求高效、可靠，从而使得装置在面对复杂任务时能够灵活应对，稳定工作。其次，开放性也是设计中非常重要的一个方面。我采用了模块化设计的思想，使得装置具有良好的扩展性。用户可以根据具体的需求，方便地增加或更换不同的模块，这种设计不仅提高了系统的适应性，还大大降低了用户在后期使用过程中的维护和升级成本。
此外，模块化的设计还使得装置具有了更强的可定制性，满足了不同用户和不同实验需求的多样化要求。最后，方便性是我设计中不可忽视的一个因素。为了提升用户的操作体验，我对装置的界面和硬件接口进行了简化和优化，确保用户能够轻松上手。无论是物理接口的布置，还是软件界面的操作，均力求简洁直观，让用户无需繁琐的学习过程便能够顺利使用。同时，装置提供了丰富的功能选项，用户可以根据实验需求选择不同的光学现象演示方式，极大地方便了教学和演示活动。
综上所述，本设计基于STC89C52单片机，围绕实用性、开放性和方便性三个核心原则，成功实现了一款功能丰富、自动化程度高的光学实验装置。通过这一创新设计，我们相信该装置能够广泛应用于中学教育领域，帮助学生更加直观和便捷地理解光学原理，同时也为教师的教学提供了更高效、更安全的实验工具。此装置的推出，将极大地提升光学实验的教学质量，并且具有广阔的市场应用前景。
程序源码获取方式：毕设&课设&项目&实训-基于51单片机的教学用自动光学演示装置设计.zip资源-CSDN文库
主程序：
电机初始化程序：
蓝牙模块初始化程序：
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 "Redis (day 3)")