支持探究性教學(xué)的光照傳感器自動窗簾設(shè)計

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)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。文中以智能家居系統(tǒng)中自動窗簾控制的設(shè)計為例，研究項目驅(qū)動型探究式教學(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;自動窗簾;物聯(lián)網(wǎng);光敏傳感器;實踐教學(xué)

中圖分類號：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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、光和電磁等信號轉(zhuǎn)換成電信號的原理，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，涉及的知識面廣、理論性強，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]。

本文從項目驅(qū)動的角度出發(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)計六組課題，以小組為單位，每組5～7人，課程結(jié)課時，共同完成小組的項目設(shè)計。從課程伊始就對課程實踐要求做了詳細(xì)設(shè)計，使同學(xué)們能夠帶著問題學(xué)習(xí)、思考。在課程結(jié)束時，以小組課題設(shè)計完成度作為實踐學(xué)時的重要打分依據(jù)。通過這種方式的學(xué)習(xí)和考核，提高學(xué)生的動手能力及綜合運用專業(yè)知識的能力，同時也使學(xué)生對本專業(yè)有了更深入的認(rèn)識。

本文以光照傳感器自動窗簾設(shè)計為例，介紹在傳感器原理教學(xué)過程中，探究式教學(xué)模式的實施。

1 光照傳感器自動窗簾的題目要求

本文通過結(jié)合單片機Arduino和光照傳感器設(shè)計自動窗簾，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)到上位機匯總顯示，實現(xiàn)觀察并記錄，同時要求數(shù)據(jù)能夠保存一定時間，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析及運用。另外，窗簾的自動開關(guān)控制設(shè)備選用步進(jìn)電機[5]。

窗簾系統(tǒng)擁有手動模式和自動控制模式，兩者可以相互切換。手動模式下，可以通過手機、平板或其他智能設(shè)備遠(yuǎn)距離控制步進(jìn)電機的順轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)，實現(xiàn)窗簾打開或者關(guān)上;自動模式下，配合光敏感測器，當(dāng)陽光太強時自動拉上窗簾;沒有陽光時窗簾自動打開。

2 設(shè)計過程中需要學(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)計及焊接。窗簾控制裝置：步進(jìn)電機型號的選擇，電機驅(qū)動電路的設(shè)計、控制與焊接。單片機Arduino控制程序的編寫：實現(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，實現(xiàn)光照數(shù)據(jù)存取與處理。編寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：實現(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)嶒灒簩崿F(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、記錄與控制。智能設(shè)備：實現(xiàn)手機端的添加與控制，實現(xiàn)人機交互、遠(yuǎn)距離傳輸。

3 傳感器設(shè)計

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算出光敏電阻改變時的電壓變化。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Arduino

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

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)電機驅(qū)動電路

步進(jìn)電機是數(shù)字脈沖驅(qū)動電機，電源送入一個脈沖信號時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定的角度稱為一個步進(jìn)角[9]。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的步數(shù)與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度與數(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)電機工作方式

步進(jìn)電機采用四相電機，按照不同的激勵順序可以控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動窗簾的開、關(guān)控制，具體見表1。

3.4.2 步進(jìn)電機的驅(qū)動電路

驅(qū)動步進(jìn)電機所需設(shè)備包含驅(qū)動電路及直流電源，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NPN達(dá)林頓管組成[10]，灌電流可達(dá)500 mA，在關(guān)態(tài)時能夠承受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)電機進(jìn)行控制時需通過I/O口輸出具有一定時序的方波作為步進(jìn)電機的控制信號，ULN2003可直接與負(fù)載電機相連，并驅(qū)動步進(jìn)電機，電機的轉(zhuǎn)動精度可由機械設(shè)計與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，同時減少驅(qū)動芯片被燒毀的事故。

5 軟件設(shè)計流程

自動窗簾開關(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、統(tǒng)計及顯示，接收應(yīng)用端的數(shù)據(jù)請求與控制信息，定時對硬件電路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。移動應(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)到的光強信號自動開、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)計相關(guān)硬件與軟件。課程結(jié)束時，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，還提高了綜合運用所學(xué)硬件與軟件知識解決問題的能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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