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        支持探究性教學(xué)的光照傳感器自動(dòng)窗簾設(shè)計(jì)

        2019-01-10 02:05:54王曉曄溫顯斌王法玉
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:探究性教學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)

        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,通過探究性教學(xué)模式,學(xué)生在教師指導(dǎo)下,通過以“自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式對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都是物聯(lián)網(wǎng)工程、自動(dòng)化、通信工程等專業(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)過放大電路和調(diào)理電路,進(jìn)行輸出、顯示和傳輸?shù)倪^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)起來沒有興趣[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)用專業(yè)知識(shí)的能力,同時(shí)也使學(xué)生對本專業(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,通過在不同位置放置光照感知模塊,監(jiān)測室內(nèi)外陽光的照度;通過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,便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析及運(yùn)用。另外,窗簾的自動(dòng)開關(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)窗簾打開或者關(guān)上;自動(dòng)模式下,配合光敏感測器,當(dāng)陽光太強(qiáng)時(shí)自動(dòng)拉上窗簾;沒有陽光時(shí)窗簾自動(dòng)打開。

        2 設(shè)計(jì)過程中需要學(xué)生解決的問題

        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: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,實(shí)現(xiàn)光照數(shù)據(jù)存取與處理。編寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:實(shí)現(xiàn)感測層與應(yīng)用層的無線通信,編寫、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、間接并行總線及SPI總線3種接口方式。本文系統(tǒng)采用SPI接線方式,只需通過處理器的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、關(guān)控制,具體見表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對四相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)需通過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)窗簾開關(guān)系統(tǒng)為CS架構(gòu),服務(wù)器端對數(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)請求與控制信息,定時(shí)對硬件電路數(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)來的控制命令,進(jìn)行窗簾的開、關(guān)操作,也可通過傳感器感應(yīng)到的光強(qiáng)信號(hào)自動(dòng)開、關(guān)窗簾。軟件流程如圖4所示。

        6 結(jié) 語

        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)們在課堂上大膽提問,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)解決問題的能力。

        參 考 文 獻(xiàn)

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        [2]趙翠芹,施運(yùn)應(yīng),潘潔,等.智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2018,8(6):68-71.

        [3]龐晶,蘇雙臣,柴洪濤,等.傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)改革研究[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,24(1):61-62.

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        [5]李桂香,張君玲,鄒宇琳,等.教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2018,8(2):109-111.

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