Arduino傳感器套件在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王雷

針對“傳感器與檢測技術(shù)”課堂教學(xué)中存在理論多，難理解，且實踐難的問題，應(yīng)用Arduino傳感器套件，聯(lián)合單片機的理論，設(shè)計組裝相應(yīng)的檢測裝置，從檢測原理，到硬件設(shè)計再到軟件設(shè)計及最終的調(diào)試和實物展示等幾個方面開展課堂教學(xué)。單片機課程的融合，有助于解決當(dāng)前課堂教學(xué)中存在的問題，提升學(xué)生對各科知識的融會貫通能力及動手實踐技能。

當(dāng)今信息爆炸時代，隨著電子自動化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，自動檢測、智能控制技術(shù)顯露出非凡的能力，傳感器是實現(xiàn)自動檢測和智能控制的首要環(huán)節(jié)。沒有傳感器對源頭信息進行精確可靠的采集和轉(zhuǎn)換，就沒有現(xiàn)代化的自動檢測和智能控制系統(tǒng)；沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。傳感器的發(fā)展勢如泉涌，不可阻擋，它是衡量一個國家現(xiàn)代化技術(shù)程度的重要標志，因此傳感器的教學(xué)，在電學(xué)專業(yè)中尤為重要。為了增強傳感器的應(yīng)用，我們在課堂中引入了Arduino傳感器套件參與教學(xué)。

1 Arduino開發(fā)板簡介

Arduino這款開發(fā)板輕巧方便，入門簡單，是對新手非常友好的入門級開發(fā)板。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（ArduinoIDE）開發(fā)環(huán)境。它不僅開源，軟件窗口也非常符合大眾書寫習(xí)慣，具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包含軟、硬件兩個部分：硬件部分是使用者用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分則是Arduino IDE的開發(fā)環(huán)境，是安裝進我們計算機中的程序開發(fā)環(huán)境。我們只要在IDE中編寫程序代碼，編譯通過后，通過專門的數(shù)據(jù)線，將程序燒錄到Arduino電路板中，程序便可自動在Arduino電路板中運行。開發(fā)板實物圖如圖1所示。

圖1 Arduino開發(fā)板Fig.1 Arduino development board

Arduino的工作是通過各種各樣的傳感器來獲取信息，通過預(yù)設(shè)的程序控制其他的執(zhí)行單元來執(zhí)行命令。軟件方面，板子上的處理器可以通過Arduino的編程語言來編寫應(yīng)用程序，而后程序被編譯燒錄。而硬件方面，在出廠前電子元件和導(dǎo)線已做好封裝，主板部分有兩種接口可選，各傳感器模塊之間只預(yù)留了接口，再挑選套件提供的各種零散耗材，很容易在一塊面板上進行自由組合，而不需要復(fù)雜的接線，可以靈活快速地組成各種檢測電路，并可實踐相應(yīng)傳感器的編程方法，從而達到良好的課堂效果。

Arduino套件包含的傳感器種類眾多，有傾斜開關(guān)、溫度傳感器、聲音傳感器、光電傳感器、熱釋電紅外傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外發(fā)射接收模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、觸摸傳感器等各種傳感器40余種用于教學(xué)場景。通過精心設(shè)計的實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)，教學(xué)內(nèi)容可覆蓋傳感器與檢測技術(shù)課程的大部分內(nèi)容，運用這些具有統(tǒng)一標準接口傳感器套件快速完成一些實驗環(huán)節(jié)。

2 傳感器與單片機

單片機和傳感器檢測技術(shù)是高職院校電類專業(yè)的重要專業(yè)課程，其教學(xué)目標是讓學(xué)生掌握單片機編程控制各類控件或檢測元件。目前我校單片機和傳感器與檢測技術(shù)隸屬于兩門課程，授課教師大家各自為政，在實訓(xùn)環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)重復(fù)交叉或不融合現(xiàn)象。比如兩門課程同步進行，那可能進度相互影響，如果前后開課，那么可能會出現(xiàn)跨知識點現(xiàn)象，造成學(xué)生出現(xiàn)知識盲區(qū)，實訓(xùn)效果大打折扣。

傳感器主要就是用于對物體狀態(tài)的檢測，根據(jù)工作需求，對各種生產(chǎn)狀態(tài)或者工業(yè)現(xiàn)場進行具體的檢測或監(jiān)測，并給出實際的檢測結(jié)果，數(shù)據(jù)自動儲存并上傳；同時根據(jù)預(yù)判執(zhí)行下一步操作，但傳感器對于物體或者工業(yè)現(xiàn)場的判斷，有時不一定準確，會因為外界環(huán)境的突然變化而做出過度反應(yīng)，又或者由于傳感器的識別精度不夠而導(dǎo)致出現(xiàn)靈敏度過高或過低，這些都會導(dǎo)致設(shè)備做出錯誤的判斷而不能正常工作，因此需要單片機的配合。

單片機就是一種通過電路芯片控制功能而實現(xiàn)的一種具備自動控制功能的元件，它將CPU芯片、I/O接口、存儲器、定時器等功能進行結(jié)合從而實現(xiàn)小型計算機控制系統(tǒng)。麻雀雖小，肝膽俱全，具有集成度高、運行穩(wěn)定、成本低的特性。單片機的這種特性恰恰彌補了傳感器的缺憾。

3 Arduino傳感器在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

《傳感器與檢測技術(shù)》作為電氣類專業(yè)課，該門課程的實際教學(xué)一定要著手于實際應(yīng)用，綜合課程教學(xué)當(dāng)中的理論知識，為學(xué)生詳細闡述電阻應(yīng)變片電子秤設(shè)計的具體過程，并且在各個流程當(dāng)中為學(xué)生講述對應(yīng)裝置的工作原理和具體功能，在實際的操作過程中根據(jù)待測物體的實際檢測數(shù)值對程序進行不斷的調(diào)試、分析和判斷，最后達到設(shè)計要求。在教學(xué)過程中，根據(jù)班級學(xué)生的實際情況，選擇是否對所學(xué)相關(guān)內(nèi)容進行拓展與創(chuàng)新，結(jié)合當(dāng)前教育部對職業(yè)院校的教學(xué)要求，滿足理論夠用即可得理念，實施科學(xué)而有效的教學(xué)管理工作，并在實際教學(xué)中積極使用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，按照教學(xué)目標進行電子秤設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生充分利用課堂時間，進行獨立的設(shè)計與制作，或者分組進行設(shè)計制作，對于課堂上未完成的部分，利用課余時間繼續(xù)完成并提交。

3.1 檢測原理

首先要向?qū)W生介紹稱重傳感器的檢測原理。在正式介紹之前，可以先簡單地討論一下日常生活中的電子秤或者通過觀看視頻，再一次認識一下電子秤的工作模式，進而引出電阻應(yīng)變片是電子秤的數(shù)據(jù)采集部分，但要說明，是有單片機的參與，才能夠適時地檢測出準確的質(zhì)量并通過顯示屏顯示出來。當(dāng)前常用的是電阻應(yīng)變片式稱重傳感器，電阻應(yīng)變片的工作原理為將應(yīng)變片粘貼到受力彈性元件上，當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生變形時，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電阻變化。應(yīng)變片一般搭配不平衡電橋進行工作，力引起的相應(yīng)橋臂電阻變化，電阻的變化將轉(zhuǎn)換為測量電路的電壓變化，通過測量輸出電壓的變化，再通過換算即可獲得所測量物體的質(zhì)量[1]。通過檢測原理的講解與分析，可以促使學(xué)生深層次的理解稱重傳感器，方便后續(xù)內(nèi)容的引入。

3.2 硬件設(shè)計

和學(xué)生一起分析完稱重傳感器相關(guān)檢測原理以后，再和學(xué)生一起討論稱重傳感器檢測裝置的實際組成及其各部分的作用。硬件部分包括Arduino UNO 主板、l602I2C液晶、稱重傳感器、HX711模塊。這些零部件需要按照一定的順序組裝起來，才能實現(xiàn)電子秤的基本要求。鑒于學(xué)生的實際水平，我們采購了半成品模塊進行安裝調(diào)試。硬件部分在組裝的過程中，有很多需要注意的細節(jié)，看似很簡單的組裝，學(xué)生只要稍不注意，就會導(dǎo)致后期軟件的調(diào)試無法進行或者精度無法達到要求。硬件安裝的過程，既增加了學(xué)生的動手能力，也考驗了學(xué)生的觀察和領(lǐng)悟能力，同時，反復(fù)的組裝，挑戰(zhàn)了學(xué)生的耐性，同時，通過觀察與發(fā)現(xiàn)，也增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，往往會有意想不到的收獲[2]。

3.3 軟件設(shè)計與調(diào)試

事實上，軟件方面的設(shè)計制作是實際教學(xué)當(dāng)中的關(guān)鍵部分，在實際教學(xué)中要詳細講解Arduino軟件的使用，及其程序編寫的要點。主程序非常簡單，在已具備單片機基礎(chǔ)上，由學(xué)生自己編寫，其他可以借用系統(tǒng)配送的庫文件和函數(shù)。主程序編寫并仿真調(diào)試通過，就進行傳感器參數(shù)選擇，例如，其中的一個同學(xué)選擇如下：滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度1.0mV/V，也即使用的電壓是5V乘以靈敏度1.0mV/V后得到的滿量程為5mV。實際上該同學(xué)選用的這個模塊，當(dāng)電源電壓是5V時，能夠供給傳感器的電壓只有是4V，于是他的傳感器滿量程電壓也就定義為4mV。根據(jù)HX711技術(shù)模塊的參數(shù)定義，就完全可以選擇增益倍數(shù)最高的A通道128位增益來得到最高的精度。

調(diào)試過程中，AD模塊與傳感器間的連接線不要太長，可以避免各種干擾，AD模塊與Arduino板子之間的連線最好也要盡可能的短一些，如果由于連接線過長導(dǎo)致干擾嚴重的話，可以考慮使用帶電磁屏蔽的線以及信號放大器?？梢圆榭磻覓焐?kg砝碼以及托盤等部件后得到的值為：1315587.75，1315588.64，1315589.12，1315515.90，1315588.29，1315584.86，1315588.29，1315505.95，1315596.25，1315582.82，1315585.29，1315568.85，1315568.26，1315575.88，1315539.75，1315526.88，1315588.92，1315587.58，1315587.74，1315582.87，1315575.74，1315592.12，1315596.45，1315578.78，1315504.88，1315584.26，記錄數(shù)據(jù)，然后去掉一個500g砝碼后值為：742874.28，742856.26，742868.35，742844.26，742862.62，742856.28，742825.68，742855.68，742879.22，742816.22，742834.33，742858.88，742821.35，742825.89，742822.45，742856.56，742888.21，742847.55，742807.22，742812.58，742846.89，742844.24，742875.21，742805.23，742834.35，742846.44，繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)，然后根據(jù)計算進行第一次修正，1315500-742800=572700，修正系數(shù)為0.00087305，以此修改主程序，編譯通過后，將砝碼全部取下，僅保留稱體，得到的值為：169698.22，169655.24，169633.35，169655.98，169685.22，……，169628.50，169668.26，169617.52，再記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)，繼續(xù)修改程序，編譯，獲得數(shù)據(jù) ：169636.50 0.02，169615.70 0.02，169625.29 0.03，169624.29 0.03，169609.78 0.01，169625.78 0.02，……，169675.25 0.01，169605.29 0.03，169625.20 0.02，然后再放上500g砝碼查看數(shù)據(jù)：742499.58 500.17，742485.56 500.18，742425.58 500.15，742420.68 500.12，742488.26 500.17，……，742420.87 500.17，742488.82 500.16，再放上一個500g砝碼，再查看數(shù)據(jù)：1315280.26 1000.24，1315283.25 1000.22，1315277.88 1000.23，1315293.98 1000.22，……，1315308.22 1000.24，1315312.22 1000.24，這時可以看到第一位小數(shù)發(fā)生了大概0.2的變化，這意味著我們粗略所取的修正系數(shù)還不夠精確，但是已經(jīng)符合1g精度的要求。接下來就是進一步地完善程序，增加去皮的功能了，在Arduino上安裝一個按鈕，為了阻止電磁干擾影響實驗結(jié)果，采用了常輸出高電平的按鈕，當(dāng)按下按鈕的時候輸出低電平，按鈕連接在4號端口上，這樣每次按下按鈕的時候就可以去皮了，最后調(diào)試液晶屏。由于溫度、環(huán)境、線材、安裝調(diào)試等的主觀因素的影響，實際的誤差大概在±0.5g左右，完全達到設(shè)計要求。

3.4 實物測試展示

由于課堂時間緊迫，不是所有同學(xué)都能夠順利完成設(shè)計任務(wù)，那么可以鼓勵學(xué)生在課余時間繼續(xù)完成剩余部分，并不斷優(yōu)化測試程序，直到完全達到設(shè)計要求。最后的課堂，要進行實物展示，學(xué)生先展示自己的成果，并根據(jù)學(xué)生對理論知識掌握的程度不同，個別掌握好的同學(xué)進行簡單的理論闡述與講解[3]。最后基于學(xué)生的興趣與熱情情況，可以進行更加深入的探索。比如菜場的電子秤存在哪些貓膩，應(yīng)該如何應(yīng)對；而交通查報站的地磅，與普通電子秤有何不同；又或者貨物運輸樞紐那里，如何快速精準地完成實時在線稱重等。如圖2所示展示出來的是學(xué)生自己組建并調(diào)試完成的簡易電子秤。

圖2 電子秤實物圖Fig.2 Physical drawing of electronic scale

4 結(jié)語

基于電阻應(yīng)變片的電子秤的實際設(shè)計制作過程為案例，詳細闡明了單片機和傳感器兩門課程的相互融合協(xié)作的教學(xué)過程。這個過程，需要我們在3次課的理論與實操過程中，讓學(xué)生了解并掌握電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理，稱重傳感器軟硬件設(shè)計制作的安裝調(diào)試過程。依此類推，學(xué)生還可以搭建溫濕度傳感器和煙霧傳感器的結(jié)合體等小制作。在《傳感器與檢測技術(shù)》這門專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)中增加相應(yīng)的實訓(xùn)實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，大大的增強學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，進而提高了學(xué)生的動手能力，也符合理論與實踐相結(jié)合的一體化教學(xué)規(guī)劃，對今后的繼續(xù)求學(xué)深造或者就業(yè)都打下了堅實的基礎(chǔ)。

引用

[1]張建忠.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2020.

[2]趙月容,陳良.工程專業(yè)認證背景下基于創(chuàng)新項目的傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)改革探索[J].黑龍江教育(理論與實踐),2019(06):16-17.

[3]張朝龍,江巨浪,江善和,等.單片機實例設(shè)計在“傳感器與檢測技術(shù)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].安慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,23(04):112-114.