遼寧建筑職業(yè)學(xué)院自動(dòng)控制系 楊中興

Arduino傳感器套件在單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

遼寧建筑職業(yè)學(xué)院自動(dòng)控制系 楊中興

單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)是理論和實(shí)踐并重的課程，傳統(tǒng)教學(xué)方法只停留在傳感器原理和輸出信號(hào)量測(cè)層面，未能向?qū)W生展示單片機(jī)及傳感器的實(shí)際使用情景。隨著微處理器的發(fā)展，傳感與檢測(cè)的智能化已成為趨勢(shì)，本文探討Arduino傳感器套件在單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用的可行性。

單片機(jī) 傳感器 Arduino 電子積木

一、前言

傳感器是現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)課程是高職院校電氣自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課程，其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握單片機(jī)控制各種常用傳感器的工作原理和使用方法。作為實(shí)用型學(xué)科，教學(xué)過程中理論環(huán)節(jié)與實(shí)踐環(huán)節(jié)并重，旨在使學(xué)生掌握各種傳感器的原理和使用方法及常用的檢測(cè)技術(shù)。

職業(yè)教育的立足點(diǎn)應(yīng)是面向生產(chǎn)第一線，培養(yǎng)既有一定理論基礎(chǔ)，又有較強(qiáng)生產(chǎn)實(shí)踐技能的高素質(zhì)技能型人才。對(duì)于高職院校電氣相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在將來(lái)的工作崗位上大多數(shù)學(xué)生不會(huì)設(shè)計(jì)傳感器，更多的是如何選擇、使用傳感器；大多數(shù)學(xué)生不會(huì)設(shè)計(jì)開發(fā)傳感器信號(hào)調(diào)理電路，更多的是集成、測(cè)試、準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)，解決傳感器在工程應(yīng)用中的實(shí)踐問題。因此，傳感與檢測(cè)技術(shù)教學(xué)應(yīng)更重視培養(yǎng)學(xué)生掌握傳感器的選型、使用、測(cè)量、安裝、調(diào)試等技能，提高動(dòng)手能力，獲取直觀認(rèn)識(shí)，與單片機(jī)課程課程相結(jié)合，將學(xué)生認(rèn)知擴(kuò)展到班級(jí)層面，使學(xué)生在課堂上就可以得到較好的崗位技能培訓(xùn)。

實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生理解和掌握課程知識(shí)至關(guān)重要，但傳統(tǒng)教學(xué)方法直接量測(cè)傳感器輸出信號(hào)乃至觀察波形，其教學(xué)意義都是非常有限的，學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)知僅停留在元器件層面，仍然不清楚傳感器如何實(shí)際運(yùn)用以及如何集成到一個(gè)系統(tǒng)中。

二、Arduino介紹

Arduino源自意大利的一個(gè)開源硬件平臺(tái)項(xiàng)目，該平臺(tái)基于AVR單片機(jī)構(gòu)建，開放源碼的硬件平臺(tái)，并且提供一套集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。Arduino可以快速開發(fā)產(chǎn)品原型，快速編寫單片機(jī)固件程序。Arduino更是一個(gè)能夠用來(lái)感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具，可以用來(lái)開發(fā)交互產(chǎn)品，如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào)，可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。Arduino開發(fā)板實(shí)物圖如圖1所示。

圖1

單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)往往從元器件級(jí)開始搭建電路，過程復(fù)雜繁瑣并且極易出錯(cuò)，浪費(fèi)大量課堂時(shí)間。而Arduino及其傳感器套件具有電子積木的特點(diǎn)，電子元件和導(dǎo)線已做好封裝，模塊之間只提供接口，很容易在一塊面板上插拔固定，自由組合，可以靈活快速地組成電路，從而達(dá)到讓使用者簡(jiǎn)便快捷地使用各種傳感器及應(yīng)用電路，并可實(shí)踐相應(yīng)傳感器的編程方法，通過軟硬件的實(shí)驗(yàn)掌握傳感器特性。

Arduino套件包含的傳感器種類眾多，如數(shù)字量傳感器有：磁感應(yīng)傳感器、觸摸開關(guān)、震動(dòng)傳感器、傾角傳感器；模擬量傳感器有：電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、線性溫度傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、化學(xué)量傳感器等。通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教學(xué)內(nèi)容可覆蓋傳感與檢測(cè)技術(shù)課程的大部分內(nèi)容，運(yùn)用這些具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口傳感器套件快速完成一些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

三、傳感器電子積木的教學(xué)應(yīng)用

1.現(xiàn)行教學(xué)法存在的問題

現(xiàn)行單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在一些問題，如實(shí)驗(yàn)過程效率低，為了量測(cè)傳感器信號(hào)，不可避免要組織元器件、制作電路板、安裝或者焊接元器件等，實(shí)驗(yàn)難度大、效率低、周期長(zhǎng)、繁多的準(zhǔn)備容易淡化教學(xué)主題。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?，缺乏靈活性，學(xué)校購(gòu)置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)固定，限制了教師選用電路的靈活性，限制了學(xué)生的發(fā)散思維，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中往往不明就里，只要按照實(shí)驗(yàn)步驟一步步操作就可以完成，實(shí)驗(yàn)效果不理想。

現(xiàn)行傳感器實(shí)驗(yàn)課程往往僅針對(duì)傳感器元件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，成功量測(cè)到信號(hào)或者顯示出結(jié)果即視為完成實(shí)驗(yàn)。但在實(shí)際工作中，傳感器多與微處理器一起組成板級(jí)電路系統(tǒng)，所以教學(xué)中應(yīng)更多涉及如何運(yùn)用傳感器。

傳感器的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，特別是引入Arduino傳感器套件，可以像搭建積木般靈活搭建電路，可以開發(fā)出花樣繁多的傳感器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，極大地提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

2.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用舉例

下面僅以溫度傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程示例Arduino傳感器套件在傳感與檢測(cè)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。溫度傳感器是傳感與檢測(cè)技術(shù)課程中的重要章節(jié)，向?qū)W生介紹熱敏電子、鉑電阻、熱電偶、DS18B20、AD590、LM35、MAX6577等多種溫度傳感器。

熱電偶是傳感與檢測(cè)技術(shù)課程的重要章節(jié)，以下以熱電偶為例介紹如何運(yùn)用Arduino傳感器套件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。

熱電偶是基于熱電效應(yīng)測(cè)溫的，兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A和B組成的閉合回路中，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。常見的K型熱電偶由鎳鉻合金與鎳鋁合金構(gòu)成，輸出電壓（熱電動(dòng)勢(shì)）具有極性。熱電偶的電動(dòng)勢(shì)不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)，這就涉及熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

這些理論知識(shí)在課堂上應(yīng)給學(xué)生做充分介紹和清晰講解，可以針對(duì)傳感器的不同特性設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加以驗(yàn)證。

以K型熱電偶和MAX6675實(shí)驗(yàn)為例。熱電偶將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)連接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)回路電流。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。如圖2所示。行的電子互動(dòng)平臺(tái)，基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)方面。在單片機(jī)和傳感檢測(cè)技術(shù)課程中運(yùn)用Arduino教學(xué)，可以設(shè)計(jì)開發(fā)新穎的教學(xué)內(nèi)容，將傳統(tǒng)授課方式的難點(diǎn)生動(dòng)靈活的呈現(xiàn)，會(huì)取得較好的教學(xué)效果。

ISSN2095-6711/Z01-2015-10-0113