基于創(chuàng)新能力提升的非接觸紅外測溫儀的設計*

王升升

（吉林工業(yè)職業(yè)技術學院，吉林 吉林 132013）

0 引言

2010年5月，國務院辦公廳印發(fā)《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，明確提出了健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系、改革教學方法和考核方式、強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐等具體措施。高職院校的工科以培養(yǎng)高技術技能人才為主要目標，同時，學生應掌握技術技能相關的必要理論知識，把相關理論知識應用到工程實踐中去。

在實際教學中，高職學生創(chuàng)新工程能力的培養(yǎng)主要受到以下幾個方面的制約。

1）高職學生的創(chuàng)新意識模糊。高職在校學生習慣了應試的教育模式，習慣性地被動接受知識，較少獨立思考。同時，高職院校的大部分教師對創(chuàng)新理論和教學的認識還停留在學習階段和紙面上，大部分專業(yè)教師的創(chuàng)新教育理論水平低。此外，創(chuàng)新教育主要是為了培養(yǎng)高職學生的實踐工程能力及創(chuàng)新意識，在豐富的實踐經(jīng)驗基礎上激發(fā)學生的創(chuàng)新意識[1]。

2）傳統(tǒng)的課程教學不能滿足現(xiàn)在的創(chuàng)新教育。高職學生汲取知識和技術技能的主陣地是課堂，高職學生職業(yè)技能目標是在課程的實踐中不斷地積累出來的。在傳統(tǒng)的課堂教育中，教師多以講授為主，把知識點按樹狀體系教授給學生，同時，習慣性地對知識點及實踐操作的重要節(jié)點、注意事項反復強調(diào)，以加深學生的記憶以及操作的可重復性。這樣雖然能夠加深學生的記憶，但是對學生專業(yè)前沿知識自主獲取能力的培養(yǎng)、工程實踐中獨立自主解決問題能力的培養(yǎng)、學生創(chuàng)新性及批判性思維的自主養(yǎng)成都是不利的。

3）考核評價的方式不利于學生創(chuàng)新。教學考核機制主要不是對高職的教學質量進行評價，而是對學生在學習過程中的知識和技術技能的掌握程度進行檢驗和監(jiān)督?？陀^的考核，有利于促進和提高教師和學生的能力。但目前的創(chuàng)新教育的考核評價形式比較單一，或者以單個作品對學生的創(chuàng)新意識及工程實踐能力進行評價，不能夠較全面地掌握學生的創(chuàng)新能力水平。

4）缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)境與平臺。高職工科學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不僅僅是創(chuàng)新理論的教學，更是對高職學生在工程實踐中技術技能的檢驗。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，需要有載體、途徑和環(huán)境。創(chuàng)新平臺的建設是高職院校創(chuàng)新教育的當務之急，創(chuàng)新平臺的建設能夠將學生的創(chuàng)新意識與工程實踐有機地融合統(tǒng)一。

綜上所述，筆者通過項目化的引導，在學院的創(chuàng)新平臺上讓學生自主解決工程實際問題，鍛煉學生知識外延、綜合匯總等方面的能力。同時，結合現(xiàn)有科研項目，在科研的平臺上進一步提升學生的創(chuàng)新能力。

1 設計思路

高職學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以通過以下幾個方面進行。

1）貫徹創(chuàng)新教學理念。在我國建設創(chuàng)新型國家、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的中長期戰(zhàn)略中，高職院校更應該注意到對高職學生的培養(yǎng)不能僅限于知識層面的教授，更需要將所需的理論知識轉化為實踐能力素質。從理論知識到能力素質轉化的主要途徑就是創(chuàng)新教育。創(chuàng)新教育的關鍵是專業(yè)化的創(chuàng)新，要求在所需領域有自身獨到的見解。專業(yè)的創(chuàng)新教育應從長遠的眼光來看，應該尊重學生不走尋常路的想法，主要培養(yǎng)高職學生多面、逆向、發(fā)散的創(chuàng)新思維，發(fā)展開拓學生的創(chuàng)新意識，從實際出發(fā)實實在在地提升學生的創(chuàng)新工程能力。

2）優(yōu)化專業(yè)創(chuàng)新教學。在高職院校的專業(yè)教學過程中，“以學生為中心”的專業(yè)教學理念是教學的核心理念。該教學核心理念是讓教師從原來的專業(yè)創(chuàng)新的主導者轉化為學生專業(yè)創(chuàng)新能力的引導者。在實際的教學過程中，借助創(chuàng)新開發(fā)平臺整合資源，利用現(xiàn)有的教學資源，如翻轉課堂、微課等形式輸出創(chuàng)新思維，充分激發(fā)學生的創(chuàng)新思維與主體意識。在實際的專業(yè)教學中，可以引入高職教師正在進行的科研項目，在其中挑選學生可以操作的部分，利用現(xiàn)有的創(chuàng)新專業(yè)平臺，帶領學生進行工程實踐。在教學過程中加強職業(yè)素養(yǎng)內(nèi)容，融入企業(yè)所需的核心素養(yǎng)[1]。

3）構建多維度反饋機制。在高職學生的創(chuàng)新過程中，有時只能對創(chuàng)新工程作品進行評價，不能有效地對學生的實踐作品進行跟蹤評價，這就需要教師及時地對學生創(chuàng)新學習的數(shù)據(jù)進行跟蹤。通過網(wǎng)絡教學平臺可以實時記錄學生學習的大數(shù)據(jù)，將學生所學知識與技能的數(shù)據(jù)進行分類匯總，重視在實踐中進行過程性考核。

4）建立高效的創(chuàng)新平臺。要充分考慮高職學生的個性化學習需求，針對高職學生理論知識薄弱、動手能力較強、對前沿科技興趣濃厚這些特點，搭建高效的創(chuàng)新平臺。創(chuàng)新平臺是對學生在創(chuàng)新理論課堂以外的補充。依托教師的科研項目、技術技能大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類大賽，結合現(xiàn)有專業(yè)創(chuàng)新實訓室，進行高職工科學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。

綜上所述，利用現(xiàn)有專業(yè)教學資源進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，本課題選取非接觸式的紅外線測溫儀為載體進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。溫度檢測在檢測方式上分為接觸式和非接觸式。接觸式測溫容易破壞溫度場，本課題選擇非接觸式的紅外線測溫進行溫度計的設計。紅外線的物理特性是物體的溫度高于絕對零度便會發(fā)射紅外線，利用這一特性，使用紅外熱電堆傳感器對其進行檢測。紅外熱電堆傳感器主要由熱敏電阻和熱電堆兩部分組成，熱敏電阻的主要作用是檢測周圍環(huán)境溫度，熱電堆的主要作用是檢測被測物體所發(fā)射的紅外線。熱電堆主要由多個熱電偶組成，其檢測的原理是把紅外輻射能轉換成熱電勢[2]。通過非接觸測量方式對被測發(fā)熱物體進行溫度檢測。

本次設計利用單片機進行程序處理，外部硬件利用紅外熱電堆傳感器進行非接觸式測量人體溫度。非接觸紅外測溫儀工作過程為利用紅外熱電堆傳感器進行溫度檢測，檢測后的模擬信號轉換后送去單片機進行算法分析并得到測量結果，當溫度超過設定值時儀表自動報警[3]。

2 整體設計及技術指標

此紅外測溫儀的整體設計系統(tǒng)框圖，如圖1所示。其控制核心為單片機HC32L136系列，外部硬件設計為紅外熱電堆傳感器，通過傳感器接收外界信號后進行信號處理送入單片機，最后由單片機進行數(shù)據(jù)采集與分析。

圖1 紅外測溫儀基本原理框圖

此紅外測溫儀的主要技術指標如下：1）溫度檢測范圍為32℃~43℃；2）溫度測量分辨率為0.1℃；3）溫度測量準確度為±0.2℃；4）工作電源為3 V；5）能夠回看歷史記錄30組。

3 硬件電路設計

3.1 電源電路設計

此紅外測溫儀的電源硬件設計電路圖，如圖2所示。電源供電采用堿性電池供電，輸出電壓3 V。加裝保險絲的主要目的是防止電源短路，同時，利用MOS管Q1和電阻R4解決反接電路問題。電源接通后，MOS管中的電路迅速導通，在Q1端口S的電壓為BAT_IN-0.6，MOS管下拉電阻中R4的電壓為0 V，所以Q1能夠導通。Q1導通時后續(xù)電路利用DS兩端壓降很小，將電路中的二極管短路，這樣就使S端電壓約等于D端電壓，使得后續(xù)電路能持續(xù)供電。若電源極性接反，G端電壓大于S端電壓，使得MOS管Q1不能導通，實現(xiàn)保護功能[4]。

圖2 電源模塊電路

3.2 傳感器信號電路設計

此紅外測溫儀采用的傳感器是熱電堆傳感器，其在設備中的工作過程是通過電阻分壓網(wǎng)絡中的熱敏電阻，利用單片機對其節(jié)點電壓進行采樣，通過計算得到所對應的熱電阻阻值，再通過兩者之間的函數(shù)關系得到溫度與阻值的對應關系，從而得到當前的環(huán)境溫度[5]。熱電堆傳感器中的熱電堆信號主要是通過差分電路中的雙運放TH+和TH-實現(xiàn)一級放大，最后通過單運放實現(xiàn)二級放大。通過預先設置的計算程序計算出傳感器的電壓值，再通過分度表結合客觀環(huán)境溫度得到被測目標溫度。熱電堆傳感器信號電路設計圖，如圖3所示。

圖3 熱電堆信號處理電路

4 軟件設計

此紅外測溫儀的軟件設計主要分為5個部分：電模式、測量模式、歷史查詢模式、校準模式和休眠模式[6]。軟件設計的工作流程如下：當紅外測溫儀在開機階段進行上電后，軟件進行電量更新與狀態(tài)掃描，以判斷儀器的工作狀態(tài)。上電后儀器進行自檢操作，其表現(xiàn)為段碼屏全屏顯示、背光燈交替閃爍、蜂鳴器鳴叫等操作。當對被測量目標開始測量模式時，程序中自動進行溫度檢測。當模式為記憶模式時，可以進行歷史記錄查詢等操作。

在測量過程中軟件邏輯程序尤為重要，在測量中檢測到紅外測溫儀按鍵有信號輸入，則單片機開啟測量程序。同時，在一段時間內(nèi)自主進行測量模式，若沒有響應則自動進入休眠模式。單片機軟件在接收信號后計算測量結果，判斷溫度區(qū)間是否符合規(guī)定范圍，若檢測結果符合范圍要求則自動在段碼屏上顯示，若超出檢測范圍則會自動報警。此紅外測溫儀的軟件工作流程，如圖4所示。

圖4 測量模式工作流程圖

5 測試與調(diào)試

在設計完成之后，對紅外測溫儀進行測試。首先進行硬件測試，確認電路中貼片及焊接沒有虛接及短接，利用萬用表檢測電源相關是否能正常工作。硬件檢測完畢后對單片機程序進行相關調(diào)試，如顯示屏功能、背光板驅動、傳感器測距、溫度測量等相關程序[7]。對溫度測量的準確度進行測量，以水浴黑體爐為標準溫度體，對紅外測溫儀進行溫度的連續(xù)性測試，測試結果如表1所示。測試結果表明，紅外測溫儀符合預期設計指標，在檢測過程中，能在0.5 s顯示結果，待機時間滿足技術要求。

表1 溫度測試點結果

6 結論

在工程實踐中，將工科專業(yè)中熱電堆傳感器與教師的科研項目相結合，培養(yǎng)學生的工程實踐能力，不僅能使學生在實踐中獲得理論知識的應用方法，而且能提高學生的工程實踐能力。本研究對學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)具有較大的借鑒作用[8]。