王曉曄 溫顯斌 王法玉

摘 要：傳感器原理課程的學(xué)習(xí)比較枯燥，然而，通過(guò)探究性教學(xué)模式，學(xué)生在教師指導(dǎo)下，通過(guò)以“自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式對(duì)各種傳感器的工作原理進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入探究，可以較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。文中以智能家居系統(tǒng)中自動(dòng)窗簾控制的設(shè)計(jì)為例，研究項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)型探究式教學(xué)模式，該模式在物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中取得了較好結(jié)果。

關(guān)鍵詞：探究性教學(xué);傳感器原理;自動(dòng)窗簾;物聯(lián)網(wǎng);光敏傳感器;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

傳感器原理一直以來(lái)都是物聯(lián)網(wǎng)工程、自動(dòng)化、通信工程等專(zhuān)業(yè)的核心課程，主要講授將物理學(xué)中的位移、力、聲、光和電磁等信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的原理，經(jīng)過(guò)放大電路和調(diào)理電路，進(jìn)行輸出、顯示和傳輸?shù)倪^(guò)程[1-3]。課程涉及物理學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路等內(nèi)容，涉及的知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容比較抽象、難于理解，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)沒(méi)有興趣[4]。

本文從項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的角度出發(fā)，采用探究式教學(xué)模式，以智能家居控制系統(tǒng)為目標(biāo)，為該課程設(shè)計(jì)六組課題，以小組為單位，每組5～7人，課程結(jié)課時(shí)，共同完成小組的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。從課程伊始就對(duì)課程實(shí)踐要求做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，使同學(xué)們能夠帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)、思考。在課程結(jié)束時(shí)，以小組課題設(shè)計(jì)完成度作為實(shí)踐學(xué)時(shí)的重要打分依據(jù)。通過(guò)這種方式的學(xué)習(xí)和考核，提高學(xué)生的動(dòng)手能力及綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力，同時(shí)也使學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)有了更深入的認(rèn)識(shí)。

本文以光照傳感器自動(dòng)窗簾設(shè)計(jì)為例，介紹在傳感器原理教學(xué)過(guò)程中，探究式教學(xué)模式的實(shí)施。

1 光照傳感器自動(dòng)窗簾的題目要求

本文通過(guò)結(jié)合單片機(jī)Arduino和光照傳感器設(shè)計(jì)自動(dòng)窗簾，通過(guò)在不同位置放置光照感知模塊，監(jiān)測(cè)室內(nèi)外陽(yáng)光的照度;通過(guò)Arduino串口傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)匯總顯示，實(shí)現(xiàn)觀察并記錄，同時(shí)要求數(shù)據(jù)能夠保存一定時(shí)間，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析及運(yùn)用。另外，窗簾的自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制設(shè)備選用步進(jìn)電機(jī)[5]。

窗簾系統(tǒng)擁有手動(dòng)模式和自動(dòng)控制模式，兩者可以相互切換。手動(dòng)模式下，可以通過(guò)手機(jī)、平板或其他智能設(shè)備遠(yuǎn)距離控制步進(jìn)電機(jī)的順轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)窗簾打開(kāi)或者關(guān)上;自動(dòng)模式下，配合光敏感測(cè)器，當(dāng)陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí)自動(dòng)拉上窗簾;沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)窗簾自動(dòng)打開(kāi)。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程中需要學(xué)生解決的問(wèn)題

光照傳感器電路：傳感器元件的選擇、傳感器放大電路的設(shè)計(jì)及焊接。窗簾控制裝置：步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、控制與焊接。單片機(jī)Arduino控制程序的編寫(xiě)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析與傳送;結(jié)合使用node.js軟件與mong.db數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)光照數(shù)據(jù)存取與處理。編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：實(shí)現(xiàn)感測(cè)層與應(yīng)用層的無(wú)線(xiàn)通信，編寫(xiě)、使用串口程序。界面程序?qū)嶒?yàn)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、記錄與控制。智能設(shè)備：實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的添加與控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、遠(yuǎn)距離傳輸。

3 傳感器設(shè)計(jì)

3.1 光敏電阻

光敏電阻是用硫化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，基于內(nèi)光電效應(yīng)，光照愈強(qiáng)阻值愈低，暗電阻一般可達(dá)

1.5 MΩ，亮電阻可低于1 kΩ[6]。利用光敏電阻及分壓電路可方便地計(jì)算出光敏電阻改變時(shí)的電壓變化。光敏電阻感測(cè)電路如圖1所示，輸出引腳的電壓值為5 V·R2/（R1+R2），根據(jù)光敏電阻的阻值變化可測(cè)量出光照強(qiáng)度的變化。將光敏電阻的輸出引腳接到Arduino模擬輸入引腳，可采集到光照照度值。

3.2 單片機(jī)Arduino

本文主要選用Arduino UNO單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制[7]，Arduino UNO是Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板，UNO的處理器核心采用ATmega328，開(kāi)發(fā)板同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口，6路模擬輸入。外部擴(kuò)展電路包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、顯示電路、遠(yuǎn)程機(jī)通信等。

3.3 W5100網(wǎng)絡(luò)芯片

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet連接[8]。W5100內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY），硬件TCP/IP協(xié)議支持TCP，UDP，IPV4等。W5100提供直接并行總線(xiàn)、間接并行總線(xiàn)及SPI總線(xiàn)3種接口方式。本文系統(tǒng)采用SPI接線(xiàn)方式，只需通過(guò)處理器的SPI接口向W5100發(fā)送各種指令即可。

3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電源送入一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定的角度稱(chēng)為一個(gè)步進(jìn)角[9]。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與數(shù)字脈波頻率成正比，無(wú)需復(fù)雜的閉環(huán)回路回授控制即可得到較高的精確度。

3.4.1 步進(jìn)電機(jī)工作方式

步進(jìn)電機(jī)采用四相電機(jī)，按照不同的激勵(lì)順序可以控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動(dòng)窗簾的開(kāi)、關(guān)控制，具體見(jiàn)表1。

3.4.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需設(shè)備包含驅(qū)動(dòng)電路及直流電源，控制流程如圖2所示。

ULN2003是一種高耐壓、大電流的達(dá)林頓陳列，由7個(gè)NPN達(dá)林頓管組成[10]，灌電流可達(dá)500 mA，在關(guān)態(tài)時(shí)能夠承受50 V電壓，可在高負(fù)載電流下并行輸出，作為驅(qū)動(dòng)元件。

4 硬件部分整體電路

整體電路如圖3所示，借助Arduino對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)需通過(guò)I/O口輸出具有一定時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，ULN2003可直接與負(fù)載電機(jī)相連，并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度可由機(jī)械設(shè)計(jì)與Arduino程序保證。該芯片在5 V工作電壓下與TTL及CMOS電路相連，可保證負(fù)載電流的供給，同時(shí)減少驅(qū)動(dòng)芯片被燒毀的事故。

5 軟件設(shè)計(jì)流程

自動(dòng)窗簾開(kāi)關(guān)系統(tǒng)為CS架構(gòu)，服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)及顯示，接收應(yīng)用端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求與控制信息，定時(shí)對(duì)硬件電路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。移動(dòng)應(yīng)用端可以向服務(wù)器端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令。硬件控制端可以接收服務(wù)器端發(fā)來(lái)的控制命令，進(jìn)行窗簾的開(kāi)、關(guān)操作，也可通過(guò)傳感器感應(yīng)到的光強(qiáng)信號(hào)自動(dòng)開(kāi)、關(guān)窗簾。軟件流程如圖4所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

將上述題目分配給小組成員，雖然題目有些難度，但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為了理解題目中的每個(gè)細(xì)節(jié)，同學(xué)們?cè)谡n堂上大膽提問(wèn)，認(rèn)真學(xué)習(xí)傳感器的工作原理，下課之余查閱資料，分工合作，在課題老師的帶領(lǐng)下設(shè)計(jì)相關(guān)硬件與軟件。課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生們完成了課題任務(wù)，不僅對(duì)傳感器原理有了深刻的認(rèn)識(shí)，還提高了綜合運(yùn)用所學(xué)硬件與軟件知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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