傳感器教學(xué)演示開發(fā)板的研制

廣州市增城區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校 歐祖常

隨著大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新的社會發(fā)展潮流，創(chuàng)新的科技技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)進入社會的各個領(lǐng)域，成為我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)生活中比較重要的組成部分。學(xué)習電子信息技術(shù)是實現(xiàn)中國制造2025的需要，在學(xué)習電子信息技術(shù)的過程中，學(xué)好傳感器的應(yīng)用是十分重要的。在調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普通中小學(xué)學(xué)校在培訓(xùn)學(xué)生創(chuàng)客創(chuàng)新作品的傳感器教學(xué)中，一般都是老師講解單一的傳感器理論知識，然后通過買來的模塊用指示燈演示效果，一旦要應(yīng)用到其他領(lǐng)域，學(xué)生就會感到抽象和深奧，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情和興趣，不利于對知識的深度理解和應(yīng)用，教學(xué)效果不明顯。作為老師，很多時候由于沒有足夠的設(shè)備，生搬書本的內(nèi)容，不利于教師的發(fā)展。

為了讓學(xué)生在學(xué)習電子信息技術(shù)過程中，更好的掌握傳感器技術(shù)，發(fā)揮傳感器在人工智能中的作用，經(jīng)過大量的調(diào)查和結(jié)合學(xué)生的需求，利用單片機技術(shù)，研發(fā)了“傳感器教學(xué)演示開發(fā)板” 。

1 項目研發(fā)目的

1)教師使用這個演示開發(fā)板可以形象直觀的講授光電和光敏傳感器、聲控傳感器、超聲波傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、霍爾傳感器和氣體傳感器等傳感器技術(shù)，展示知識的生成過程，演示開發(fā)板可以直接在課室使用，避免了學(xué)校缺少實訓(xùn)室或設(shè)備不能上課的情況出現(xiàn)。

2)學(xué)生利用這個演示板能清晰、深入淺出地體現(xiàn)、理解傳感器技術(shù)，充滿歡樂，開闊學(xué)生思路，提高學(xué)生的自學(xué)能力，學(xué)得快的學(xué)生還可以結(jié)合單片機技術(shù)編程，開發(fā)出各有特色的傳感器開發(fā)板。

3)在學(xué)生學(xué)習傳感器演示開發(fā)板的過程中，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神，提高學(xué)生對傳感器應(yīng)用的意識。

2 項目研究過程

2.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

本項目主要由單片機控制系統(tǒng)、液晶顯示、LED燈顯示、按鍵選擇模塊、遙控模塊和各個傳感器模塊組成。其中圖1中AC表示模擬信號，DC表示數(shù)字信號。

圖1 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

2.2 設(shè)計思路

2.2.1 傳感器基本演示實驗

市場上買回來的的傳感器模塊一般都有傳感器器件和運算放大電路組成，用傳感器模塊的DC輸出到單片機，單片機控制LED燈指示，驗證有傳感器存在的信號。這種演示方法只能是驗證傳感器的信號產(chǎn)生了變化，但實現(xiàn)不了傳感器信號變化的大小，特別像壓力傳感器、氣體傳感器等能看到它們的變化大小,學(xué)生的理解會更好，還有特殊的傳感器像超聲波傳感器，必須通過單片機編程才能實現(xiàn)效果。

2.2.2 傳感器全功能演示實驗

為了解決傳感器基本演示實驗留下的缺陷，用傳感器的AC模擬信號輸出到單片機，經(jīng)過單片機內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換處理，再送到液晶顯示模塊顯示。在液晶上可以清晰的看到傳感器產(chǎn)生的變化過程。超聲波傳感器可以正確的顯示被測距離。

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 單片機的選擇

單片機的功能是對傳感器輸入的信號轉(zhuǎn)換處理，需要用到AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器有兩種方案，第一種是外加8位ADC0809芯片，第二種是用內(nèi)部帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機，為節(jié)省成本采用自帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機STC15F2K60S2，STC15F2K60S2系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,最多有42個I/O口，可以為多個傳感器模塊提供接口，它是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。跟電子專業(yè)所開的《單片機應(yīng)用技術(shù)》課程的C語言程序設(shè)計一致，可當該課程的開發(fā)板使用，單片機內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,不用再設(shè)計外部復(fù)位電路了，這樣在設(shè)計時就方便很多了，省了外部復(fù)位電路，而且復(fù)位是非?？煽康?單片機自帶2路PWM,可以做音樂演示實驗，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換滿足傳感器演示板的需要。

2.3.2 液晶顯示和LED顯示模塊

液晶顯示選用不帶字庫的采用芯片為KS0108的12864中文液晶，這款液晶能顯示文字、數(shù)字和圖形，滿足用來顯示各種傳感器效果和參數(shù)的要求，編程通俗易懂，選用不帶字庫的原因是字體和圖形方便編輯，在無字庫12864液晶模塊顯示屏上顯示圖形或漢字時，可以利用字模提取軟件獲得圖形或漢字的點陣代碼，并且仿真軟件PROTUES 對接，為編程開發(fā)帶來方便，從而縮短了開發(fā)的周期。LED顯示模塊采用紅綠藍三種顏色的LED燈，用來顯示各種傳感器的工作狀態(tài)。

2.3.3 按鍵選擇結(jié)合紅外遙控模塊

按鍵采用4*4鍵盤，采用鍵盤的好處是可以節(jié)省I/O口，16個按鍵只需要8個I/O口，無須再外接其他電路，節(jié)省成本。4*4鍵盤可以作為功能鍵使用，更可以當做數(shù)字鍵使用，在需要輸入數(shù)據(jù)來控制傳感器時，4*4鍵盤可以發(fā)揮最大的用處。為了讓更好的操作傳感器演示板給學(xué)生觀看，加入紅外遙控模塊，紅外遙控模塊采用20鍵38KNEC編碼格式的小型遙控器，這款遙控器在市場上比較常見，解碼編程也相對簡單，解碼部分采用通用一體化遙控紅外接收頭HX1838B。

2.3.4 傳感器模塊

1)光電、光敏傳感器

光電傳感器一般由一對光電開關(guān)（發(fā)射管和接收管）、LM328運算放大電路和DC輸出端組成，通過調(diào)節(jié)LM328運算放大電路中的電位器可以改變光電管檢測的距離。光敏傳感器模塊一般由光敏電阻、LM328運算放大電路和AC、DC輸出端。同樣通過調(diào)節(jié)LM328運算放大電路中的電位器可以改變光亮度的值，AC端輸出到單片機經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換可以看到光敏電阻變化過程。

2)溫濕度傳感器模塊

市場上的溫濕度傳感器模塊一般有兩種，一種是I2C通訊的SHT20數(shù)字溫濕度傳感器，這種溫濕度傳感器體積微小、響應(yīng)迅速、低能耗、可浸沒、抗干擾能力強、溫濕一體，兼有露點測量。采用CMOSens TM技術(shù)將溫、濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準數(shù)據(jù)存儲器、標準I2C總線等電路全部集成在一個芯片內(nèi)，具有比其他類型濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。適合多個場合演示給學(xué)生看效果。另外一種是單總線通信的DHT11或是DHT22溫濕度傳感器,這類型的傳感器可接入演示板的溫濕度傳感器專用接口。

3)超聲波傳感器

超聲波傳感器第一個功能通過演示測量距離，來學(xué)習超聲波傳感器的發(fā)射與接受過程；第二個功能是接入演示板測試超聲波傳感器性能的好壞。具體電路調(diào)試：1)演示板上接上超聲波傳感器并打開電源。2)用手放在超聲波傳感器接收管和發(fā)射管的前面，觀察液晶顯示。3)把手移開，再觀察液晶顯示。4)使用萬用表，在用手擋住或把手離開的情況下，分別檢測超聲波傳感器上集成運放的輸出端的電壓。5)還可以使用示波器，在用手擋住或把手離開的情況下，分別檢測接收引腳的波形。

4)聲控傳感器

聲控傳感器一般由兩種傳感器組成，一種是壓電陶瓷片和比較放大電路組成，另外一種由咪頭和信號放大電路組成。這兩種聲控傳感器同樣有AC和DC輸出，按光電和光敏傳感器的編程方法處理即可。

5)氣體傳感器

本演示板可演示的氣體傳感器有：酒精傳感器、一氧化碳傳感器、煤氣傳感器、天然氣傳感器、煙霧傳感器、氫氣傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。這類型的模塊一般有兩個輸出，一個是DC輸出，一個是AC輸出，通過可以通過調(diào)節(jié)電位器改變氣體傳感器的靈敏度。編程算法按光電和光敏傳感器方法處理，顯示部分可以采圖形形象化，氣體傳感器的變化更直觀。

6)霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器模塊主要是由霍爾傳感器3144、LM328運算放大電路和DC輸出端組成，編程算法按光電和光敏傳感器方法處理。

7)壓力傳感器模塊

稱重傳感器模塊主要由稱重傳感器、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分主要由專用型高精度24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711實現(xiàn)；通過編程把中文液晶12864和4*4矩陣鍵盤聯(lián)系起來，組成一個電子稱，在演示的時候，就更直觀，學(xué)生的印象就更加深刻，達到很好的教學(xué)效果。

2.4 軟件設(shè)計

1)上述用到的傳感器輸出有AC端的都需要用到AD轉(zhuǎn)換器進行處理，下面以STC15F2K60S2單片機的P1.0作為A/D轉(zhuǎn)換功能為例進行設(shè)計，如圖2：

圖2

2)無字庫12864液晶模塊的操作子程序包括以下幾個部分：

a)判忙程序：每次要對液晶寫命令或數(shù)據(jù)時都要等LCD空閑才可以操作。

b)命令寫入子程序void wreg()

c)數(shù)據(jù)寫入子程序void wdata()

d)設(shè)置顯示初始頁子程序void pagefirst()

e)設(shè)置顯示初始列子程序void columnfirst()

f)清屏子程序void ready_12864()

g)顯示16*16漢字子程序void dishz()

h)顯示圖像子程序void dispic()

i)初始化：寫入命令0x3f開液晶顯示，寫入命令0xc0正常顯示.

3)4*4矩陣鍵盤的掃描原理

軟件設(shè)計流程圖如圖3，4*4鍵盤掃描方法是：P30～P33接在行線上為輸出線，P34～P37接在為輸入線。首先STC15單片機將行線（P30～P33）全部拉到低電平，此時由列線讀入數(shù)據(jù)，如果此時列線上的電平全部為高電平則沒有鍵按下，當有低電平出現(xiàn)在列線上時，調(diào)用延時程序來判斷是否真的有鍵按鍵或還是抖動現(xiàn)象。延時完成后再判斷是否有低電平，如果此時讀入列線數(shù)據(jù)還是有低電平，則說明確實有鍵按下。最后一步確定鍵值。現(xiàn)在我們以第一行的S1鍵為例，若按下S1后應(yīng)該怎么得到這個鍵值呢？當判斷確實有鍵按下之后，行線輪流輸出低電平，根據(jù)讀入列線的數(shù)據(jù)可以確定鍵值。首先，單片機將P30～P33輸出低電平，此時讀取列線的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)列線讀到的數(shù)據(jù)有低電平，數(shù)值為1110（0x0E），如果我們此時行線的數(shù)值為1110（0x0E），再把行線和列線的十六進制的數(shù)值相加可以確定鍵盤的布局，那么0xEE就代表S1的值了。轉(zhuǎn)到S1鍵功能處理子程序就可以達到目的。

圖3

3 創(chuàng)新點

1)傳感器演示開發(fā)板可以滿足每位學(xué)生的需求，可以人手一臺，只要接上5V電源（充電寶，手機充電器等）就可以使用，方便攜帶，可以在課室使用，不用過多占用實訓(xùn)室?？蓪W(xué)習的傳感器有：光敏、光電、氣敏，溫濕度傳感器、霍爾傳感器、壓力稱重傳感器、超聲波傳感器。還配置單片機ISP下載接口，可以當做單片機開發(fā)板使用。

2)傳感器演示開發(fā)板搭配多種傳感器，學(xué)生學(xué)習傳感器知識的同時，可以在開發(fā)板上搭建自己電路進行創(chuàng)新或創(chuàng)客設(shè)計，并將開發(fā)的創(chuàng)新或創(chuàng)客作品參加省市的青少年科技創(chuàng)新大賽或創(chuàng)客大賽。

4 結(jié)束語

通過對傳感器演示開發(fā)板的研制，為理實一體化項目教學(xué)提供了很好的資源，提高了學(xué)生的動手能力，以點帶線，以線促面，為其它課程的理實一體化教學(xué)研究起到了借鑒的作用。