學(xué)習(xí)行為監(jiān)測(cè)臺(tái)燈

一個(gè)周日，我無(wú)意中聽(tīng)到一位駕校學(xué)員說(shuō)，他在線上學(xué)習(xí)理論知識(shí)、看視頻時(shí)都會(huì)留下記錄，上車(chē)練習(xí)前還要按指紋打卡，防止有些學(xué)員“渾水摸魚(yú)”。我琢磨著，我做作業(yè)的時(shí)間能否也被自動(dòng)記錄，反映真實(shí)的學(xué)習(xí)情況？查閱資料后，我決定以臺(tái)燈為載體進(jìn)行研究。

一、結(jié)構(gòu)部件

學(xué)習(xí)行為監(jiān)測(cè)臺(tái)燈主要由臺(tái)燈、變壓器、熱釋電傳感器、聲音傳感器、漫反射傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等組成。

變壓器用來(lái)變換電壓，為電路提供工作電源。熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器，當(dāng)人體紅外線照射到傳感器上，因熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生控制信號(hào)。這種專門(mén)設(shè)計(jì)的探頭只對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會(huì)引發(fā)探頭動(dòng)作，可在本項(xiàng)目中檢測(cè)是否有人。

聲音傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容發(fā)生變化而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓。這個(gè)電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0～5V的電壓，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，數(shù)字越大聲音越大。漫反射傳感器即光電傳感器，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測(cè)是否有物體。此外，它還能檢測(cè)人的坐姿。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊檢測(cè)日期的變化。

二、制作過(guò)程

剛開(kāi)始，我將人體紅外傳感器接上5V電源，人體接近時(shí)，有3.3V電壓輸出，人體遠(yuǎn)離時(shí)，過(guò)1秒左右輸出電壓變?yōu)?V。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)該人體紅外傳感器的有效檢測(cè)范圍小，信號(hào)變化較快。后來(lái)，我網(wǎng)購(gòu)了檢測(cè)范圍可調(diào)、信號(hào)變化有延時(shí)調(diào)節(jié)功能的人體紅外傳感器，參考其提供的手冊(cè)完成了與單片機(jī)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。漫反射傳感器經(jīng)網(wǎng)購(gòu)獲得，接上電源測(cè)試正常。

最費(fèi)事的是聲音的采集及檢測(cè)。起初我購(gòu)買(mǎi)了聲音模塊，接上5V電源，通過(guò)朗讀觀察輸出信號(hào)指示燈，發(fā)現(xiàn)信號(hào)輸出指示燈維持時(shí)間很短，檢測(cè)效果不好，調(diào)節(jié)電位器后效果也不好。最后，我請(qǐng)教了專業(yè)的工程師，在他的幫助下，我通過(guò)示波器觀察到了聲音采集的信號(hào)波形。

我又買(mǎi)來(lái)兩款聲音傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最后采用模擬信號(hào)傳感器，模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換讀入單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采集的聲音信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，所得到的聲音數(shù)據(jù)沒(méi)有規(guī)律，暫時(shí)沒(méi)有合適的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)朗讀的計(jì)時(shí)記錄。

工作電源要用變壓器把220V交流電變成8V和12V低壓交流電，再通過(guò)整流濾波穩(wěn)壓變成5V和12V直流電源。

本項(xiàng)目中，我采用的是DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，它自帶電池，停電后能繼續(xù)走時(shí)。它不僅是時(shí)鐘，還有對(duì)比日期的功能。對(duì)比日期就是通過(guò)讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊獲得的日期數(shù)據(jù)，與記錄的日期比較，如果日期不等，則當(dāng)天的學(xué)時(shí)數(shù)據(jù)從零開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)將讀到的日期保存為當(dāng)前日期，已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)則前移一天。

漫反射傳感器是一個(gè)集紅外發(fā)射、接收于一體的傳感器，可以調(diào)節(jié)感應(yīng)距離，當(dāng)人靠近時(shí)有低電平輸出。該傳感器的工作電壓是12V，必須將其轉(zhuǎn)換為0V和5V的信號(hào)后才能被單片機(jī)接收。

三、使用方法

打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，程序初始化，繼電器工作，打開(kāi)臺(tái)燈，程序讀入實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的日期，比較當(dāng)前保存的日期與讀入的日期。如果日期不等，則當(dāng)天的學(xué)時(shí)數(shù)據(jù)從零開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)將讀到的日期保存為當(dāng)前日期，已經(jīng)記錄保存的數(shù)據(jù)則前移一天。

然后程序開(kāi)始循環(huán)掃描各傳感器數(shù)據(jù)、按鍵狀態(tài)，并顯示相關(guān)信息。液晶屏上顯示時(shí)間、當(dāng)前學(xué)時(shí)時(shí)長(zhǎng)、是否有人、坐姿是否正常等。按“設(shè)置”鍵進(jìn)入設(shè)置模式，通過(guò)“加”“減”鍵、“移位”鍵可以調(diào)整時(shí)鐘，按“確認(rèn)”鍵保存數(shù)據(jù)。

連續(xù)按“設(shè)置”鍵可設(shè)置一個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)長(zhǎng)，人離開(kāi)，自動(dòng)延長(zhǎng)關(guān)燈的時(shí)間參數(shù)。按F6鍵可以查看一段時(shí)間內(nèi)的學(xué)時(shí)情況。顯示界面如圖2所示。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.做作業(yè)時(shí)，本作品通過(guò)人體紅外傳感器感知有人，自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)。一天的累計(jì)學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)將被保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)日期發(fā)生變化時(shí)，當(dāng)天的累計(jì)學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)重新記錄。存儲(chǔ)器可保存一定天數(shù)的記錄，當(dāng)記錄天數(shù)滿后，最早的那天的數(shù)據(jù)被覆蓋，其他記錄數(shù)據(jù)都向前移一天。

2.本作品通過(guò)麥克風(fēng)采集聲音，記錄朗讀時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)人體距離臺(tái)燈太近，會(huì)提示坐姿不正。人離開(kāi)臺(tái)燈感應(yīng)區(qū)域，到達(dá)延時(shí)設(shè)定的時(shí)間后自動(dòng)關(guān)燈。設(shè)定時(shí)間內(nèi)人回到臺(tái)燈感應(yīng)區(qū)域，臺(tái)燈繼續(xù)工作。

3.本作品還可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)一次連續(xù)的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)到達(dá)設(shè)定的一課時(shí)，臺(tái)燈通過(guò)語(yǔ)音提示“休息片刻”。

學(xué)習(xí)行為監(jiān)測(cè)臺(tái)燈能獲取當(dāng)次學(xué)習(xí)的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間以及人們起身的次數(shù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)的專注度，家長(zhǎng)可參考相關(guān)數(shù)據(jù)，督促孩子養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

專家點(diǎn)評(píng)

許文睿同學(xué)的“學(xué)習(xí)行為監(jiān)測(cè)臺(tái)燈”項(xiàng)目是一項(xiàng)較典型的創(chuàng)客作品，這對(duì)他個(gè)人的成長(zhǎng)是很有積極意義和效果的。

這些年來(lái)就臺(tái)燈的創(chuàng)意，特別是利用臺(tái)燈來(lái)幫助學(xué)習(xí)的創(chuàng)意有很多。有的人看書(shū)時(shí)彎著腰，或是趴在桌子上看，這些壞習(xí)慣在我們不知不覺(jué)時(shí)就形成了，造成了現(xiàn)在許多人近視或脊椎側(cè)彎;另外還有人不愛(ài)隨手關(guān)燈造成能源的浪費(fèi)等。因此，人們就利用臺(tái)燈展開(kāi)創(chuàng)意：一方面更節(jié)省電能，有利于環(huán)保;另一方面可以糾正使用者的坐姿，預(yù)防脊椎變形和近視，并在周?chē)h(huán)境較暗時(shí)自動(dòng)開(kāi)燈等。

而2017年公開(kāi)的一種具有環(huán)境質(zhì)量與學(xué)習(xí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的LED臺(tái)燈，和一種帶有無(wú)線充電功能的可監(jiān)控學(xué)習(xí)臺(tái)燈的制作方法等發(fā)明專利，在監(jiān)測(cè)與助學(xué)方面，其創(chuàng)意和技術(shù)層面的高度，都值得青少年創(chuàng)新愛(ài)好者好好學(xué)習(xí)。