物聯(lián)甲醛測量儀

康留元

教學(xué)背景

甲醛是一種無色、有特殊刺激性氣味的氣體，對人的眼、鼻等有強(qiáng)烈刺激作用。經(jīng)常吸入甲醛，會危害我們的身體健康。然而甲醛已經(jīng)成為我們生活居住環(huán)境中常見的污染類型，如裝修新家、購置新車、家具換新、辦公樓裝修等，都可能會遇到甲醛污染。如何判斷當(dāng)下生活的環(huán)境甲醛濃度是否超標(biāo)，是否適宜居?。勘竟?jié)課結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)一個物聯(lián)甲醛測量儀，實(shí)時監(jiān)測空氣中的甲醛濃度和溫濕度情況，幫助我們關(guān)注甲醛污染，保護(hù)人體健康。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 了解甲醛傳感器讀取濃度數(shù)值的過程;掌握甲醛傳感器模塊的使用方法;熟悉在Mind+軟件中創(chuàng)建變量、調(diào)用函數(shù)的方法。

過程與方法 通過觀察作品，認(rèn)識到甲醛的危害性，了解檢測甲醛的方法，培養(yǎng)觀察力和創(chuàng)造力。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 感受物聯(lián)甲醛測量儀的使用過程，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，樹立正確的科學(xué)觀。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)甲醛傳感器模塊檢測的數(shù)據(jù)與手機(jī)物聯(lián)實(shí)時顯示數(shù)值對應(yīng)。

教學(xué)難點(diǎn) 在Blynk軟件中設(shè)置溫度、濕度、甲醛曲線等組件對應(yīng)相關(guān)類型。

教學(xué)準(zhǔn)備

掌控板、Gravity：DHT11溫濕度傳感器、Gravity：HCHO甲醛傳感器、I/O擴(kuò)展板、3.7V電池各1件。

教學(xué)過程

一、情景導(dǎo)入

師：近些年來，室內(nèi)空氣質(zhì)量越來越受到人們重視。甲醛是空氣中的殺手之一，需要時刻提防。比如新裝修的房子、新買的汽車等，若空氣中甲醛濃度過高，可引起中毒反應(yīng)，輕微的會造成眼睛流淚、皮膚過敏、鼻咽不適等癥狀，嚴(yán)重的甚至可致癌。因此，本節(jié)課老師就帶領(lǐng)大家DIY一個甲醛測量儀，為自己的健康把把關(guān)。

二、知識講授

師：甲醛是一種有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，易溶于水和乙醇，化學(xué)式是HCHO或CH2O，有毒且有致癌性，所以檢測環(huán)境中的甲醛濃度十分有必要。請同學(xué)們想一想，如何測量甲醛濃度呢？

學(xué)生思考討論并回答。

師：如果采用專用的試劑檢測甲醛，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且精度低，使用的次數(shù)也非常有限。但是我們可以借助甲醛傳感器，它是一種電化學(xué)傳感器，可以將甲醛氣體的濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號。這樣就可以通過電流電壓變換電路，將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為可以測量的穩(wěn)定的電壓信號，增強(qiáng)電信號的穩(wěn)定性。本課采用的Gravity：HCHO甲醛傳感器能與Arduino、樹莓派等兼容，可以精確地測量空氣中的甲醛濃度，并且抑制干擾氣體，具有穩(wěn)定性高、抗干擾氣體能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

除了甲醛濃度，空氣的溫濕度也是判斷環(huán)境是否適宜人類居住的重要條件，所以本節(jié)課還使用了Gravity：DHT11溫濕度傳感器。Gravity：DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。Arduino可以通過屏幕實(shí)時顯示該傳感器的讀數(shù)變化。

三、操作實(shí)踐

1.電路連接

把甲醛傳感器、溫濕度傳感器和擴(kuò)展板通過導(dǎo)線進(jìn)行連接。P0接溫濕度傳感器;P1接甲醛傳感器，甲醛傳感器背面撥碼開關(guān)切換到UART一端，開啟UART模式。具體連接方法如圖1。

2.Blynk安裝和設(shè)置

在手機(jī)上安裝Blynk App，并用個人郵箱注冊賬號;登錄賬號并配置自己的服務(wù)器地址;創(chuàng)建項(xiàng)目，完成項(xiàng)目中溫度、濕度、甲醛曲線等控件參數(shù)的設(shè)置，如圖2。這樣，我們通過手機(jī)就能實(shí)時獲取并查看檢測數(shù)據(jù)。

3.程序設(shè)計(jì)

打開Mind+軟件，連接設(shè)備COM38，點(diǎn)擊軟件右上角區(qū)域切換至“上傳模式”。

點(diǎn)擊軟件左下角“擴(kuò)展”，添加“主控板”—“掌控板”;點(diǎn)擊軟件左下角“擴(kuò)展”，添加“傳感器”—“溫濕度傳感器”;點(diǎn)擊軟件左下角“擴(kuò)展”，添加“用戶庫”—“Blynk”。

（1）顯示甲醛濃度數(shù)值子程序

編寫程序，使甲醛傳感器能根據(jù)UART模式下的通信命令行格式，主動上傳數(shù)據(jù)，每間隔1秒發(fā)送一次濃度值，如圖3。

（2）判讀甲醛濃度子程序

編寫程序，實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)居室空氣中的甲醛濃度在安全范圍內(nèi)（甲醛濃度低于0.06ppm，即0.08mg/m3），屏幕顯示為綠色;當(dāng)居室空氣中的甲醛濃度超出安全范圍（甲醛濃度大于0.06ppm小于0.2ppm），屏幕顯示為黃色（此時就要注意，該在室內(nèi)放置一些祛除甲醛的東西）;當(dāng)甲醛濃度嚴(yán)重超標(biāo)（甲醛濃度大于0.2ppm小于1ppm），屏幕顯示為紅色（出于安全考慮，這類環(huán)境至少需要空置半年再入?。?當(dāng)居室空氣中的甲醛濃度大于1ppm，已經(jīng)達(dá)到了爆表的程度，這時屏幕會紅色紫色交替閃爍。具體程序如圖4。

（3）顯示溫濕度子程序

編寫程序讀取溫濕度傳感器引腳數(shù)據(jù)，并在屏幕顯示，如圖5。

（4）Blynk數(shù)據(jù)傳輸子程序

編寫程序，將溫濕度及甲醛數(shù)值等數(shù)據(jù)定時傳送到手機(jī)Blynk服務(wù)端，如圖6。

（5）主程序

完善項(xiàng)目主程序，并調(diào)試運(yùn)行，測試程序功能。

四、小組展示

學(xué)生以小組為單位，由小組代表分享作品，然后組內(nèi)學(xué)生自評、組間互評。學(xué)生通過電子教室上交個人作業(yè)，教師再給予評價(jià)和指導(dǎo)。

教學(xué)反思

通過制作物聯(lián)甲醛測量儀，手機(jī)端實(shí)時顯示空氣中甲醛數(shù)值、室內(nèi)的溫度和濕度，學(xué)生了解了物聯(lián)網(wǎng)Blynk服務(wù)器相關(guān)技術(shù)，認(rèn)識了甲醛傳感器的工作原理。本課例將開源硬件編程和物聯(lián)網(wǎng)、傳感器相關(guān)知識相結(jié)合，既鍛煉了學(xué)生的邏輯思維，同時培養(yǎng)了學(xué)生動手操作的能力。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）