劉德國(guó)

摘? ?要：實(shí)踐是傳感器教學(xué)活動(dòng)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，針對(duì)當(dāng)前傳感器實(shí)踐活動(dòng)中的課堂實(shí)驗(yàn)所存在的問(wèn)題，我們?cè)谡n堂教學(xué)中引入了便攜式的Arduino平臺(tái)，利用該平臺(tái)可以在課堂上很方便的進(jìn)行傳感器實(shí)驗(yàn)的演示，具有簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)。通過(guò)該平臺(tái)在氣敏傳感器中的應(yīng)用進(jìn)一步說(shuō)明了該平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：傳感器? 實(shí)踐教學(xué)? Arduino平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（a）-0205-02

Abstract： Practice is an important part of sensor teaching activities. In view of the problems existing in the current classroom experiments in sensor practice activities， we introduce a portable Arduino platform in classroom teaching. Using this platform， we can easily demonstrate sensor experiments in the classroom， which is simple and flexible. The application of the platform in gas sensor further shows the advantages of the platform.

Key Words： Sensor; Practical teaching; Arduino platform

1? 引言

傳感器原理課程是電子信息專業(yè)、自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)的一門重要的課程。理解和掌握各種類型傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、采集電路對(duì)學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作具有重要的意義。但是傳感器課程內(nèi)容又比較煩雜，一方面各種類型的傳感器其工作原理不盡相同，具體信息的采集過(guò)程可能牽涉到物理原理或者化學(xué)原理，或者生物原理。另一方面?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)也有不同的形式檢測(cè)電路也多種多樣。此外我們也應(yīng)當(dāng)注意到傳感器課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不僅要掌握相關(guān)類型傳感器的工作原理，了解其結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)參數(shù)。更重要的是要掌握傳感器的使用方法。讓學(xué)生在實(shí)踐中去掌握傳感器，去熟悉傳感器。為此相關(guān)院校的教師在課程教學(xué)改革中做了一些工作[1-2]。我校在傳感器的教學(xué)中也采取了相應(yīng)的措施，尤其在實(shí)踐教學(xué)方面，課堂教學(xué)中引入了便攜式的Arduino平臺(tái)演示各種傳感器，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2? 傳感器教學(xué)中的實(shí)踐手段

傳感器教學(xué)實(shí)踐中傳統(tǒng)的手段是傳感器課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)集中的課堂實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以將所學(xué)的原理和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，加深對(duì)傳感器知識(shí)的理解。但是集中的實(shí)驗(yàn)課程也有其弊端，首先表現(xiàn)在形式不夠靈活，需要拿出專門的時(shí)間，到專門的實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其次，由于學(xué)時(shí)數(shù)的限制，傳感器開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不可能太多，只能針對(duì)幾種典型的傳感器開(kāi)設(shè)幾個(gè)有限的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于更多種類的傳感器無(wú)法方便的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的缺點(diǎn)，有關(guān)老師在傳感器課程的實(shí)踐活動(dòng)中引入了靈活的傳感器演示平臺(tái)。比如利用51系列的單片機(jī)進(jìn)行傳感器實(shí)驗(yàn)的演示[3]。這類演示形式靈活，不占用太多的課堂時(shí)間，可以讓學(xué)生直觀的看到傳感器的使用效果。給課堂教學(xué)帶來(lái)了一股清新的空氣。但是51系列的單片機(jī)對(duì)學(xué)生的硬件和編程能力都有一定的要求。學(xué)生往往講很多的精力放到編程上，這樣就造成了喧賓奪主的現(xiàn)象，對(duì)傳感器知識(shí)的掌握反而減弱了。

針對(duì)這種情況，我們?cè)趥鞲衅鹘虒W(xué)中引入Arduino這款便攜式傳感其平臺(tái)。利用便攜式的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)傳感器的課堂教學(xué)既可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)靈活性不足，占用教學(xué)實(shí)踐過(guò)多的弊端，又可以彌補(bǔ)對(duì)51系列單片機(jī)演示程序編寫要求過(guò)高的問(wèn)題。

Arduino是一款軟硬件都開(kāi)源的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一塊小型的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板[4]。目前流行的是Arduino Uno 板子。該板子使用起來(lái)便捷靈活，學(xué)習(xí)起來(lái)簡(jiǎn)單易學(xué)，并且價(jià)格低廉，具有比較豐富的硬件資源和軟件資源，適合于大學(xué)生甚至是中學(xué)生進(jìn)行電子制作和實(shí)驗(yàn)課堂使用。由于該平臺(tái)具有開(kāi)源硬件的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)軟件具有比較豐富的函數(shù)，對(duì)于編程方面的細(xì)節(jié)已經(jīng)以函數(shù)的形式封裝起來(lái)，可以使學(xué)生關(guān)注于要實(shí)現(xiàn)的主要功能。尤其是對(duì)于傳感器教學(xué)來(lái)說(shuō)，由于學(xué)生重點(diǎn)要掌握各類傳感器的特點(diǎn)和參數(shù)，如果使用傳統(tǒng)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板如51系列的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較繁瑣，學(xué)生要自己編寫很多函數(shù)實(shí)現(xiàn)某一功能，這樣對(duì)學(xué)生的編程水平要求就較高。因此學(xué)生將比較多的精力放到程序的編寫和調(diào)試中去，容易造成本末倒置，主次不分。而Arduino開(kāi)發(fā)板則由于其豐富的函數(shù)庫(kù)，可以利用自帶的程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的功能，學(xué)生的精力可以放到傳感器本身的使用上。具有靈活方便的特點(diǎn)。通過(guò)下面的例子我們可以看到該平臺(tái)在傳感器教學(xué)中的作用。

3? Arduino在氣敏傳感器中的應(yīng)用

氣敏傳感器是傳感器中的一類重要的傳感器。在許多的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)各種各樣的氣體成份及其含量。尤其是當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，對(duì)各企業(yè)向大氣中排放的各種氣體都要進(jìn)行檢測(cè)，從而控制環(huán)境中有害有毒氣體的含量。氣體傳感器在這一過(guò)程中起著重要的作用。氣體傳感器根據(jù)其工作原理可以分為熱傳導(dǎo)型氣敏傳感器、接觸燃燒型氣敏傳感器、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器等類型。教師在講解各種類型傳感器的工作原理基礎(chǔ)上，可以利用Arduino開(kāi)發(fā)板和適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳜F(xiàn)場(chǎng)演示氣體的探測(cè)功能。如對(duì)于電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器，常見(jiàn)的氣敏傳感器是利用在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料。當(dāng)空氣中存在如液化氣、氫氣、丙烷等可燃?xì)怏w時(shí)，二氧化錫的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增多而增大。教師在講解完該類傳感器的工作原理后和探測(cè)原理后，可以在課堂上搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行顯示。從而可以讓學(xué)生不僅從理論上明白氣敏傳感器的工作原理，更在實(shí)際中掌握氣敏傳感器實(shí)際的應(yīng)用電路。氣敏傳感器的電路原理圖如圖1所示。

圖1中所用的傳感器是集成化的MQ-2氣體傳感器。該傳感器所用的氣敏材料為二氧化錫。該傳感器具有雙路輸出功能，可以輸出模擬量和TTL電平的信號(hào)。模擬量輸出電壓范圍0～5V，對(duì)城市煤氣、天然氣、液化氣都有較好的靈敏度，使用壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定性高，具有快速響應(yīng)恢復(fù)特性。為了提高電路的靈敏度，電路中采用了電壓比較芯片LM393，使用該芯片可以使測(cè)試電路更加穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)將氣敏傳感器連同外部電路做成了一個(gè)模塊。只需將模塊的電源接好，將模塊的輸出模擬量接到Arduino開(kāi)發(fā)板的模擬輸入引腳（如A0引腳），然后編寫簡(jiǎn)單的程序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。實(shí)物連接圖如圖2所示。程序及測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3中包含了源程序和利用串口觀測(cè)到的測(cè)試數(shù)據(jù)。程序只是采集數(shù)據(jù)然后發(fā)送到串口顯示，沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)做過(guò)多處理。程序首先調(diào)用平臺(tái)串口函數(shù)對(duì)串口波特率做了設(shè)置，然后再循環(huán)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集只用一條語(yǔ)句就可以實(shí)現(xiàn)，接著調(diào)用平臺(tái)提供的串口函數(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳到電腦端顯示。由于采用了Arduino自帶的函數(shù)，源程序非常簡(jiǎn)單，利用開(kāi)發(fā)板提供的函數(shù)大大降低了編程難度和代碼量，是該開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一大優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)降低編程難度學(xué)生可以將重點(diǎn)放到傳感器的原理上，避免學(xué)生在編程的細(xì)節(jié)上花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間。當(dāng)然，該平臺(tái)也可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，對(duì)數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行一定的處理，比如10個(gè)數(shù)據(jù)為一組取平均值，測(cè)量會(huì)更精確一些。這些工作可以放到課下讓同學(xué)們自己完成。

4? 結(jié)語(yǔ)

在傳感器課堂教學(xué)活動(dòng)中使用便攜式的Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)效果。該平臺(tái)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的集中式實(shí)驗(yàn)占用時(shí)間過(guò)多，需要專門的場(chǎng)地的弊端。相比較51系列的單片機(jī)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，該平臺(tái)硬件電路連接靈活，軟件編寫簡(jiǎn)單，是傳感器理論教學(xué)的有益的補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)

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