電子積木在傳感器實驗設(shè)計中的應(yīng)用

摘? 要：文章依托進行中的項目，利用最新電子積木為“傳感器原理與應(yīng)用”課程搭建各種各樣的實驗方法，完成對各種數(shù)據(jù)的檢測，增加學習趣味性，減少教學難度。開發(fā)一套適用于傳感器實驗課程的電子積木實驗方法，既能滿足論證傳感器原理的需求，又能提高學生的學習興趣，還能激發(fā)學生學習傳感器原理與應(yīng)用相關(guān)課程的積極性，讓學生獲得電子產(chǎn)品設(shè)計參與感，使其最大限度參與課程并激發(fā)其潛能，提高教學效果。

關(guān)鍵詞：電子積木；實驗設(shè)計；Arduino

中圖分類號：TP39；G434? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0051-05

Abstract： Based on ongoing projects， this paper uses the latest electronic building blocks to build various experimental methods for the course “Sensor Principles and Applications”， complete the detection of various data， increase learning interest， and reduce teaching difficulty. Developing a set of electronic building block experimental methods suitable for sensor experimental courses can not only meet the needs of demonstrating sensor principles， but also enhance students' interest in learning. It can also stimulate students' enthusiasm for learning courses related to sensor principles and applications， enable them to gain a sense of participation in electronic product design， maximize their participation in the course， stimulate their potential， and improve teaching effectiveness.

Keywords： electronic building block; experimental design; Arduino

0? 引? 言

由于我校教學設(shè)施的簡陋，長期從事一線教學的老師對傳感器教學的實驗課程是極其無奈的，從幾年前在殘缺的實驗臺上做有限的實驗到后來干脆放棄了實驗只上理論課，對教學效果的影響是可想而知的，由于經(jīng)費比較少買不起大件的實訓平臺，后期就探索花最少的錢買一些數(shù)據(jù)采集卡，采用溫度傳感器及力類傳感器實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)采集，效果都是差強人意，后來接觸了電子積木，市面上出現(xiàn)了各種各樣的電子積木，而且價格低廉，對現(xiàn)有教學特別有利，于是我校購買了一些電子積木來提升我們的傳感器實訓效果。但由于知識點特別碎片化，教師們并沒有針對傳感器實訓設(shè)計出一套科學完備的流程，目前的教學特別需要開發(fā)一種固定流程、科學有效的實訓方法，于是就有了電子積木實驗項目的申請。項目的創(chuàng)新之處在于利用最新電子積木搭建各種各樣的實驗方法，完成對各種數(shù)據(jù)的檢測，增加學習趣味性，減少教學難度。實現(xiàn)以最少資金購買傳感器設(shè)備，經(jīng)濟成本低，完成傳感器和電子產(chǎn)品的設(shè)計，取得良好的教學效果。

電子積木實驗項目能解決教學中的以下問題：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)以最低價格購得實訓材料，并能重復利用。

2）能用最直觀最簡便的方式演示傳感器原理和現(xiàn)象。

3）能形成固定的實驗環(huán)節(jié)，形成科學的實驗方法，供不同的老師使用。

4）能降低對學生理解能力的要求，讓基礎(chǔ)很差的學生也能上手實驗并能夠理解實驗中所涉及的知識原理。

1? 本課題實踐技術(shù)

本課題的關(guān)鍵技術(shù)取決于單片機、傳感技術(shù)和C語言，以及Arduino IDE編程技巧，各種電子積木的應(yīng)用，通過使用各種電子積木搭建電路，使用Arduino IDE編程、燒錄程序進入控制板，以各種各樣的方式實現(xiàn)傳感器信號的采集、顯示和輸出，形成一套完備的實驗方法和實驗步驟。本課題從電子積木工作原理入手，先研究電子積木搭建理論，再研究電子積木程序設(shè)計，最后從科學角度驗證傳感器原理，鞏固理論知識。

Arduino的功能和特點如下：

1）Arduino靈活便捷，可跨平臺，開源，簡單清晰，對初學者非常友好，易于上手。它包含兩個部分，分別是硬件部分Arduino電路板，如圖1（a）所示，實現(xiàn)電路連接的功能，以及軟件部分Arduino IDE編程開發(fā)工具，Arduino的IDE界面基于開放源代碼，互聯(lián)網(wǎng)上的代碼可共享，可以免費下載使用，開發(fā)者可籍此開發(fā)出各種各樣有趣的作品。在Arduino IDE中編寫程序代碼，并將編寫好的程序燒錄到Arduino電路板中，程序便指揮我們的傳感器電子積木進行數(shù)據(jù)采集并做出相應(yīng)的動作。

還可以在使用Arduino的同時結(jié)合使用一些軟件，做出互動作品。Arduino也可以使用現(xiàn)有的電子元件，本項目中利用各種各樣的電子積木，例如開關(guān)、傳感器、控制器件、水泵、LED、直流小電機、步進馬達或其他輸出裝置。

2）Arduino UNO擴展槽，如圖1（b）所示，能防插反，實現(xiàn)傻瓜式操作，即插即用，插上電子積木，編程就能實現(xiàn)信號采集和控制。

3）使用LCD1602液晶顯示器和OLED顯示屏顯示各種傳感器的信號。LCD1602液晶顯示屏只能顯示字符型信號，采用HD44780控制器、擴展驅(qū)動電路HD44100和字符型液晶顯示屏（LCD）、電阻、電容形成PCB板，然后組裝成如圖2（a）所示的字符顯示型模塊。

OLED顯示屏（圖2（b））有機電激發(fā)光二極管的同時具備自發(fā)光，所有不需背光源，LCD1620需要背光，因此同樣的顯示OLED效果顯得更好一些。以目前的技術(shù)來看，OLED屏的尺寸不能做到大型化，但是分辨率卻可以做到非常高。因此它將會是下一代平面顯示器新興技術(shù)。

2? 設(shè)計過程

下面的1）到8）是我們使用電子積木設(shè)計的8個實驗內(nèi)容：

1）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成力類傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

本實驗采用由兩個應(yīng)變片構(gòu)成的電阻應(yīng)變傳感器感受力的存在，借助Hx711AD模塊實現(xiàn)重量的AD轉(zhuǎn)換，以電子積木的方式插在Arduino控制板的擴展端口上，再把圖2中的信號顯示屏電子積木插在控制器的擴展端口上，在ArduinoIDE上編程控制，就能實現(xiàn)對重量的測量，我們能夠直觀地看見數(shù)據(jù)的采集和變化過程，從而加深對電阻應(yīng)變傳感器的理解。圖3是電阻應(yīng)變傳感器采集重量的連接圖。

2）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成電容大類傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

聲音傳感器相當于一個話筒，俗稱麥克風，如圖4（a）所示，該傳感器內(nèi)置一個電容式駐極體話筒，該駐極話筒對聲音敏感。當有聲波時，話筒內(nèi)的駐極體薄膜發(fā)生振動，從而導致電容的變化，經(jīng)測量電路把微小的電容變化轉(zhuǎn)化為微小電壓，后續(xù)放大電路再把這個微小電壓轉(zhuǎn)化成0～5 V的電壓，經(jīng)Arduino控制板采集信號，可顯示聲音的振動圖像，用來接收聲波，通過電容量的變化來實現(xiàn)聲音的獲取。編寫一段程序，當有聲音時燈亮并根據(jù)聲音的振動閃爍起來，無聲音時燈滅，以此來驗證聲音的存在與否，從而實現(xiàn)電容傳感器采集聲音信號的學習。

電容式觸摸開關(guān)如圖4（b）所示，觸摸物作為電容一個極板的存在，通過觸摸物體，基于觸摸面積變化來判斷電容量變化過程從而學習電容傳感器是怎么獲取信號的。編程實現(xiàn)開關(guān)功能。

分別將圖4中的兩種傳感器插在Arduino控制板的擴展板上，編寫一段程序，當有聲音或觸摸的時候，控制LED燈的亮滅。

3）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成溫度傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

熱敏傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換器件。它利用半導體的阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的原理實現(xiàn)對溫度的測量，也采用LM393比較器將溫度傳感器做成當溫度高于預設(shè)溫度時輸出低電平，從而編程實現(xiàn)溫控開關(guān)功能進行熱保護。實驗之前可借助萬用表來測定溫度不同情況下電阻的變化，得出熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的結(jié)論，然后再進行溫控實驗。

利用人體釋放紅外線使得人體紅外線溫度傳感器產(chǎn)生熱釋電現(xiàn)象，傳感器在檢測到人體移動時，會產(chǎn)生一個高電位信號，編程實現(xiàn)檢測到有人體存在時LED燈點亮。

分別將圖5中的兩種傳感器插在Arduino控制板的擴展板上，編寫一段程序，當有溫度變化或有人存在的時候，控制LED燈的亮滅。實現(xiàn)溫度信號的采集，從而實現(xiàn)對熱電式溫度傳感器原理的學習。

4）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成壓電傳感器、超聲傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

超聲波是一種振動頻率高于人耳能聽到聲音的聲波，它是基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)工作的。當超聲波的發(fā)射頭通過一定頻率的交變電的時候，壓電材料不斷伸縮，產(chǎn)生超聲波，它的發(fā)射原理是逆壓電效應(yīng)；超聲波遇到障礙物后會反射回來，有聲壓，作用在接收頭的壓電材料上，產(chǎn)生極性電荷，它的接收原理是壓電效應(yīng)。超聲波測距原理：超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，超聲波作為一種波，具有波的反射折射現(xiàn)象，在發(fā)射后遇到障礙物會反射回來，發(fā)射超聲波和接收超聲波的時間差就是超聲波走過兩倍距離的時間t，有了該時間就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離S，即：S=340×t/2。如此不斷地周期性反復測量，就可以不斷地更新移動測量的值。圖6是利用超聲檢測來完成壓電與逆壓電效應(yīng)驗證，一個超聲收發(fā)探頭、一個1602液晶顯示屏模塊對信號進行顯示，編寫一段程序，實現(xiàn)對距離、身高、液位深度等參數(shù)的測定，也可以通過把傳感器放到小車上實現(xiàn)避障，從而實現(xiàn)壓電傳感器原理學習。

5）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成光電傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

如圖7（a）所示的光敏電阻是利用半導體電阻對光敏感原理，利用光電導效應(yīng)對光進行獲取的，光敏傳感器主要應(yīng)用于光控電子產(chǎn)品光自動控制領(lǐng)域，例如光控燈、光控玩具、照相機、光控屏等場所，本實驗是利用電子積木上的LM393把光的亮度轉(zhuǎn)化為數(shù)字電平信號，輸入到Arduino控制板中，Arduino控制板根據(jù)信號的變化及事先編好的程序，實現(xiàn)控制LED燈的亮滅，也可以直接獲取模擬值進行光控。

如圖7（b）所示的火焰?zhèn)鞲衅鞯膶ㄔ硎抢霉饷舳O管在沒有敏感光源照射時，它的反向電阻非常大，反向電流很小，當有敏感光源照射時，它的反向電流非常大，反向?qū)?。設(shè)計人員通常使用火焰?zhèn)鞲衅鱽硭褜せ鹪吹拇嬖冢祟悅鞲衅鲗鹧婧苊舾?。它的原理是利用紅外線傳感器對火焰非常敏感的特點，檢測火焰的存在與否，然后利用LM393芯片把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為數(shù)字電平信號變化，輸入到Arduino控制板中，Arduino控制板根據(jù)信號的變化及事先編好的程序，實現(xiàn)控制蜂鳴器報警。

如圖8（a）所示的槽型光電開關(guān)，它是一款紅外線感應(yīng)光電開關(guān)，由紅外線接收管和紅外線發(fā)射管組成，它的原理是對射式的。當光電開關(guān)通電時，通過Arduino控制板，編程實現(xiàn)當偵測到有物體經(jīng)過時點亮LED燈，未偵測到物體時，將燈設(shè)定為熄滅，從而實現(xiàn)紅外發(fā)射與接收學習。

紅外避障的原理就是紅外測距，如8（b）所示，紅外測距采用的是三角測距，當紅外發(fā)光二極管按照一定角度發(fā)射的紅外光束遇到障礙物時，紅外光會反射回來，避障傳感器檢測到反射光之后根據(jù)幾何三角關(guān)系，可以計算出物體距障礙物的距離D。紅外避障傳感器還可以作為顏色傳感器來使用，當遇到不同顏色時，紅外發(fā)射頭發(fā)出的紅外光被吸收的量不同，可以編程控制三基色燈顯示七彩顏色，以此驗證顏色深淺對光的吸收是不同的。

循跡傳感器如8（c）所示，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光遇到白色背景則被反射，接收管會接收到反射光，經(jīng)LM393芯片處理后會形成電平變化；當紅外光遇到黑線時則被吸收，接收管就不會接收到反射光，從而達到循跡目的。通過Arduino編程實現(xiàn)這些功能，從而實現(xiàn)學習紅外光電傳感器原理。

紅外遙控器如圖9（a）所示，每一個紅外遙控器的按鍵都有一個十六進制的碼值，通過這些生成的碼值來判斷按下的鍵位，通過遙控器發(fā)射帶碼的紅外線信息，紅外接收頭收到信息后做出相應(yīng)的動作。通過Arduino編程控制接收頭接收遙控器發(fā)射的被編碼了的紅外線信號，在輸出端口做出相應(yīng)的動作，達到學習紅外遙控的目的。

6）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成濕度傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

雨滴傳感器如圖10（a）所示，可用于對是否下雨的監(jiān)測，當有雨滴滴落的時候，雨滴片電阻大大減小，電阻的變化可轉(zhuǎn)成數(shù)字信號和模擬信號。此實驗中我們采用雨滴傳感器積木，利用LM393芯片把電阻的變化轉(zhuǎn)成數(shù)字信號或直接使用模擬信號，輸入到Arduino的控制器，Arduino的控制器根據(jù)事先設(shè)計好的程序、信號的變化實現(xiàn)控制LED燈的亮滅。

土壤濕度傳感器如圖10（b）所示，由不銹鋼探針及防水探頭構(gòu)成，可以長期埋設(shè)于需要檢測的土壤或堤壩內(nèi)，可以達到檢測土壤濕度的目的，我們的課程主要設(shè)計為自動澆花系統(tǒng)。

如圖10（c）所示的水泵能使液體增壓并輸送液體，能將機械能轉(zhuǎn)化為液體能力，使液體能量增加，可用于輸送水、油等液體。

使用土壤濕度計和水泵實現(xiàn)自動澆花系統(tǒng)的設(shè)計，通過Arduino編程實現(xiàn)控制器通過土壤濕度傳感器判斷土壤的干濕程度，以此控制水泵抽水澆花。

7）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成氣敏傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

氣體傳感器如圖11所示，是一種能識別氣體類別和氣體濃度的傳感器，其中煙霧傳感器是通過檢測可燃氣體的濃度來實現(xiàn)報警的，可用于城市安防，布置在小區(qū)、學校、家庭等地方，也可以通過使用各種各樣的氣體傳感器實現(xiàn)對各種氣體的檢測，比如使用MQ2電子積木實現(xiàn)對可燃氣體的檢測，使用MQ3電子積木實現(xiàn)對酒精氣體分子的檢測，使用MQ5電子積木實現(xiàn)對煤氣、液化氣、甲烷等氣體的檢測，使用MQ7電子積木實現(xiàn)對一氧化碳氣體的檢測。通過Arduino控制器實現(xiàn)當氣體濃度過高時編程報警，達到學習煙霧傳感器的目的。

8）使用電子積木設(shè)計一套實驗方法，完成磁電式傳感器課程實驗，實驗詳情如下：

霍爾傳感器的工作原理是霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)），它根據(jù)霍爾效應(yīng)做成磁場傳感器。磁場中的霍爾半導體片如圖12（a）所示，恒定電流I從霍爾半導體片的一端A流向另一端B。在洛侖茲力的作用下，電流I的電子流在通過霍爾半導體時會向CD一側(cè)偏移，在CD方向上產(chǎn)生電位差，通過測量電位差大小來判斷磁場的強度。此實驗中我們通過把磁力轉(zhuǎn)化為電壓，將圖12中的電子積木插在Arduino的控制板上編程實現(xiàn)控制信號燈的亮滅，達到學習磁電式傳感器原理的目的。

3? 結(jié)? 論

篇幅所限，無法一一闡述大多數(shù)電子積木傳感器獲取信號的過程，文中只能選取一部分典型的傳感器電子積木進行敘述，在具體設(shè)計過程中還有大量的設(shè)計性實驗過程沒有敘述，只能是上課過程中不斷探索。

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作者簡介：許寒梅（1986—），女，漢族，云南昭通人，講師，本科，研究方向：傳感器原理與應(yīng)用教學研究。