(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

基于熱釋電紅外傳感器的教學(xué)案例設(shè)計

王玉香,張喜紅,楊清志

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

鑒于傳感器教學(xué)的概念化、理論化和知識與實際應(yīng)用的脫離，基于熱釋電紅外傳感器，結(jié)合學(xué)生相關(guān)課程知識，設(shè)計一款智能門控系統(tǒng)。并將其以實訓(xùn)教學(xué)案例的方式融入傳感器及相關(guān)課程教學(xué)中，讓學(xué)生在應(yīng)用與動手實訓(xùn)中掌握相關(guān)理論，并提升相關(guān)技能。采用形象生動的方式，完成了知識與應(yīng)用的結(jié)合。經(jīng)過教學(xué)實踐，學(xué)生在相關(guān)知識的掌握、知識的綜合運用、對問題的分析能力等方面都有很大提升。

熱釋電紅外傳感器；教學(xué)案例；智能門控； AT89C51

“醫(yī)用傳感器”是我院醫(yī)用電子與儀器類專業(yè)很重要的一門基礎(chǔ)課程，由于其理論性強，又往往和多學(xué)科知識相結(jié)合才能應(yīng)用，所以在教學(xué)中常常局限于抽象的理論分析，很難將其與應(yīng)用結(jié)合，進行直觀形象的展示。而生活中傳感器的應(yīng)用實例其實是隨處可見的。將生活中隨處可見的智能門控系統(tǒng)結(jié)合到教學(xué)中，使傳感器形象化，進而加深對其理論的理解。

智能門控系統(tǒng)很多，從實現(xiàn)的基本原理到系統(tǒng)模塊的組成到元器件的選取都不盡相同。從教學(xué)可行性角度考慮，系統(tǒng)設(shè)計時盡量選取學(xué)生學(xué)過的或課程中涉及的較熟悉的芯片和模塊。根據(jù)相關(guān)課程，選定單片機芯片中的AT89C51作為控制的核心，對有無人通過的信號的檢測采用傳感器中的熱釋電紅外傳感器，檢測到的信號傳輸給單片機，單片機據(jù)此控制步進電機的正反轉(zhuǎn)和語音模塊，進而實現(xiàn)自動控門和語音播報的功能。將熱釋電紅外傳感器的原理及作用與實例結(jié)合，除加強學(xué)生對所學(xué)傳感器知識的理解與掌握，還將培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的系統(tǒng)理解與綜合應(yīng)用能力。

1 智能門控系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由單片機基本工作模塊、紅外檢測電路、步進電機控制電路、語音控制電路等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1。開始工作后,單片機就對檢測電路的輸出端不停的查詢，如果有人要過門，檢測電路就將高電平輸出至單片機，單片機接收到高電平后，輸出控制信號至電機，控制電機正轉(zhuǎn)，電機帶動門桿開啟，同時語音播報歡迎詞；人通過之后，電機反轉(zhuǎn)，帶動門桿自動關(guān)閉。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要模塊設(shè)計

(1)單片機控制模塊

鑒于所開設(shè)《單片機原理及應(yīng)用技術(shù)》課程主要介紹51系列單片機，故選取51系列中的AT89C51作為控制芯片，本模塊主要包含時鐘電路、復(fù)位電路和電源部分，單片機是+5 V工作電壓，但是系統(tǒng)中的隔離電路是+3.3 V工作電壓,為便于操作和電路的調(diào)試，且保證電源穩(wěn)定，電源直接選用現(xiàn)成的DC-DC模塊實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，并提供多路輸出。復(fù)位采用按鍵復(fù)位方式。

(2)語音模塊

本模塊采用WT558D-16語音芯片和3.3 V穩(wěn)壓芯片AMS1117，同時配有指示燈，當語音播報時，指示燈同步點亮。WT558D-16語音芯片功能強大、可重復(fù)擦除燒寫?？梢约虞d多達500段的語音信息，支持按鍵控制，串口控制等多種模式，抗干擾能力強，用單片機編寫也很簡單。本系統(tǒng)采用一線串口控制模式，電路如圖2所示。芯片的第10引腳是DATA的輸入引腳，單片機通過此腳發(fā)送數(shù)據(jù)來控制WT588D工作。第15引腳是忙信號的輸出端，將其設(shè)置為播放狀態(tài)時輸出為低電平，就可以作為播放語音時的指示燈。通過3.3 V穩(wěn)壓芯片AMS1117實現(xiàn)3.3 V供電。PWM輸出方式，直接接揚聲器，注意PWM+和PWM-都不可短接到地或接電阻電容到地。操作時，語音芯片由老師提前燒錄需要播報的內(nèi)容。

圖2 語音模塊電路圖

(3)步進電機驅(qū)動模塊

如圖3，本模塊對步進電機驅(qū)動時，選用驅(qū)動效果較好的L298N芯片。電機就選用型號為28BYJ-48的四相八拍步進電機，供電采用單極性直流電源，要使步進電機轉(zhuǎn)動，可以按一定順序?qū)⑵鋬?nèi)部四相繞組通電。步進電機的轉(zhuǎn)動角度可以很方便的設(shè)置，由此可以很好的控制門的轉(zhuǎn)動角度。L298N特點是輸出電流大、功率大，使用時常加散熱片，對芯片散熱效果好，可以保證芯片性能的穩(wěn)定性。反接IN4007，保護電路，防止步進電機故障產(chǎn)生的高脈沖信號損壞驅(qū)動器[1]。為便于實訓(xùn)開展，先備4～5塊L298N驅(qū)動芯片，用于輔助調(diào)試。

圖3 電機驅(qū)動原理圖

(4)熱釋電紅外檢測電路

熱釋電紅外傳感器利用的是熱釋電效應(yīng)，當吸收的紅外輻射使溫度發(fā)生變化時，其內(nèi)部的敏感元件物理參數(shù)相應(yīng)變化，從而實現(xiàn)非電信號到電信號的轉(zhuǎn)變。但其輸出的電信號需要轉(zhuǎn)換為電壓才能使用[2]。傳感器檢測到人體紅外線后，會將此能量轉(zhuǎn)為電信號，此電信號經(jīng)處理后輸出，傳輸至單片機，進而實現(xiàn)開門控制，人走后，在單片機的控制下門自動關(guān)閉。為了增強傳感器的探測距離和探測靈敏性，可將菲涅爾透鏡安裝在其前端，感應(yīng)范圍可在10 m以上[3]。

本模塊主要由熱釋電紅外傳感器和信號處理電路組成,核心元件是熱釋電紅外傳感器,在人員識別時，傳感器輸出信號較弱，變化也很慢，不能直接使用，本系統(tǒng)利用BISS0001傳感器信號的專用處理芯片對信號進行識別和狀態(tài)輸出[4]。

BISS0001將采集的信號在內(nèi)部兩級放大后，由狀態(tài)比較器得出狀態(tài)信號，狀態(tài)信號的脈寬、輸出方式、閉鎖時間都可由外部電路設(shè)置。如圖4所示，當1腳接地時輸出方式是不可重復(fù)，在輸出狀態(tài)信號時不采集信號；1腳為高電平時輸出方式是可重復(fù)，對信號實時采集并輸出?？捎蒖C回路，對信號脈寬和不識別時間進行設(shè)置，避免信號抖動[5]。

圖4 熱釋電紅外傳感器信號處理電路

根據(jù)本系統(tǒng)特點，設(shè)置BISS0001狀態(tài)信號輸出脈寬5 μs，方式選不可重復(fù)方式，2 μs停止識別時間，則R8=1 KΩ、C7=0.1 μF、R9=1.7 KΩ、C6=4.7 μF。本模塊可輸出高3.3 V/低0 V的電平，在與單片機相接時不能實現(xiàn)信號的有效識別，故通過隔離器使輸出信號接入單片機，具體如圖5。

有人時，紅外檢測電路輸出3.3 V，紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管截止，輸出端輸出高電平至單片機P2.0，沒人時，紅外檢測電路輸出0 V，紅外發(fā)光二極管導(dǎo)通，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端輸出低電平至單片機P2.0，由此實現(xiàn)了對信號的隔離傳輸和驅(qū)動，進而保證了單片機對信號的正確識別。為便于實訓(xùn)開展，先準備4～5塊熱釋電紅外檢測模塊，用于輔助調(diào)試。

圖5 光電隔離器電路

1.3 智能門控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

主程序流程圖如6：在電機轉(zhuǎn)動角度設(shè)計時，要實現(xiàn)開門動作，需要轉(zhuǎn)動90度。這里用單四拍的工作方式，提供一個脈沖，可使電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一次，轉(zhuǎn)動角度達到11.25度，一共四拍，則共轉(zhuǎn)動45度。主軸旋轉(zhuǎn)角度D=N*45/減速比,改變N值可改變轉(zhuǎn)動角度，本系統(tǒng)所需角度為90度，減速比1∶64，故N=128。

圖6 程序流程圖

2 教學(xué)設(shè)計與實施

本教學(xué)案例可以安排在學(xué)生學(xué)完《C語言》《模擬/數(shù)字電子技術(shù)》《單片機原理及應(yīng)用》《醫(yī)用傳感器》等課程后，或者在學(xué)習(xí)《單片機原理及應(yīng)用》或《醫(yī)用傳感器》課程過程中，作為實訓(xùn)內(nèi)容進行教學(xué)?？刹捎脤Ｖ軐嵱?xùn)，實施時對學(xué)生進行分組，以小組的方式完成[6]。內(nèi)容安排及教學(xué)過程如表1。

表1 案例內(nèi)容分解及實施

續(xù)表1

教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容活動設(shè)計活動要求及具體操作知識與能力培養(yǎng)任務(wù)總結(jié)對所做系統(tǒng)進行介紹及功能演示展示、自評、互評小組展示、介紹并總結(jié)自己的設(shè)計，展示完后，各組對設(shè)計進行自評和互評。文獻查閱、團隊合作、知識總結(jié)、語言表達交流、討論老師引導(dǎo)、組間交流、討論設(shè)計的難點，實現(xiàn)時遇到的問題及解決思路方法等。知識總結(jié)、團隊協(xié)作與溝通課下延伸作業(yè)學(xué)生整理任務(wù)實現(xiàn)過程、程序等知識總結(jié)、團隊協(xié)作與溝通注：具體實施時可根據(jù)課程特點，對相關(guān)知識有所側(cè)重。

3 教學(xué)效果

鑒于傳感器教學(xué)的抽象化、理論化，設(shè)計了本案例，通過對采用本案例教學(xué)的50名學(xué)生的訪談及問卷調(diào)查，具體情況總結(jié)如表2。

表2 案例教學(xué)效果情況

由實施效果可見，該案例在對學(xué)生相關(guān)知識和能力的培養(yǎng)方面效果較好。實現(xiàn)了對理論知識的形象化教學(xué)，也幫助學(xué)生實現(xiàn)了知識與能力的融合及知識的綜合應(yīng)用。

4 總結(jié)

關(guān)于傳感器不管是教還是學(xué)，一直都是難點。傳感器知識本身難度大，且應(yīng)用時又往往涉及到多學(xué)科知識，所以教學(xué)時反而很難掌控。因此，目前傳感器主要以理論教學(xué)為主，學(xué)生掌握有難度，也很難和實際應(yīng)用結(jié)合，且不符合職業(yè)教育對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。選取生活中非常熟悉的實例——門控系統(tǒng)，結(jié)合傳感器、單片機、電機、語音播報相關(guān)知識，設(shè)計了智能門控系統(tǒng)，將其涉及的知識按功能模塊分解，以實訓(xùn)案例的方法融入到有關(guān)課程教學(xué)之中。可根據(jù)課程內(nèi)容，對相關(guān)模塊知識進行偏重，既保證了課程教學(xué)的特點，又將課程內(nèi)容結(jié)合了應(yīng)用，由此實現(xiàn)了理論與應(yīng)用的結(jié)合，形象化了相關(guān)知識。通過教學(xué)實踐，也體現(xiàn)了其優(yōu)越性，對學(xué)生的興趣、知識、能力方面都有一定提升。教學(xué)中，要求老師具有一定的全局掌控能力，不管是相關(guān)知識、技能還是教學(xué)過程的實施都要很好掌握。

[1] 嚴平鋒,凌志浩,蔣煒.步進電機的控制與檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2014(4):38-42.

[2] 呂璠.熱釋電紅外報警器的設(shè)計[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(3):62-64.

[3] 胡偉生,方佩敏.熱釋電紅外探測元器件費涅耳透鏡[J].電子世界，2004(10):47-48.

[4] 宋保業(yè).基于BISS0001的熱釋電紅外開關(guān)[J].電子元器件應(yīng)用，2007(7):1-3.

[5] 王曦,魏卓.一種遠程紅外智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016(5):169-174.

[6] 王玉香,章曉忠.翻轉(zhuǎn)課堂在高職實驗實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究——以“單片機”實驗課程為例[J].樂山師范學(xué)院，2015(4):111-114.

The Teaching Case Design is Based on Pyroelectric Infrared Sensor

WANG Yuxiang ,ZHANG Xihong,YANG Qingzhi

(Bozhou Vocational and Technical College,Bozhou Anhui 236800,China)

Given the difficulty of the sensor teaching and no combined with application,based on the pyroelectric infrared sensor,combining students' knowledge of related courses,and design a intelligent door control system. As sensors and related courses teaching case,in practice,let students grasp the theory and improve skills.With the help of vivid way,to realize the combination of knowledge and application. Through teaching practice,students to master relevant knowledge,comprehensive ability to apply the knowledge,ability to analyze the problem and so on have very big improvement.

pyroelectric infrared sensor;the teaching cases;intelligent door control;AT89C51

2017-04-05

亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級教學(xué)研究項目(2015bzjyxm01)；安徽省教育廳重點教研項目(2015jyxm535)

王玉香(1983-)，女，安徽蚌埠人，講師/技師，碩士，研究方向為教學(xué)改革、信息處理及傳輸。E-mail:wyxx_198@163.com

G712

A

1004-2237(2017)06-0045-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.06.011