便攜式實驗平臺在傳感器實踐教學(xué)中的應(yīng)用

劉德國

摘? ?要：實踐是傳感器教學(xué)活動中一項重要的內(nèi)容，針對當前傳感器實踐活動中的課堂實驗所存在的問題，我們在課堂教學(xué)中引入了便攜式的Arduino平臺，利用該平臺可以在課堂上很方便的進行傳感器實驗的演示，具有簡單靈活的特點。通過該平臺在氣敏傳感器中的應(yīng)用進一步說明了該平臺的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：傳感器? 實踐教學(xué)? Arduino平臺

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0205-02

Abstract： Practice is an important part of sensor teaching activities. In view of the problems existing in the current classroom experiments in sensor practice activities， we introduce a portable Arduino platform in classroom teaching. Using this platform， we can easily demonstrate sensor experiments in the classroom， which is simple and flexible. The application of the platform in gas sensor further shows the advantages of the platform.

Key Words： Sensor; Practical teaching; Arduino platform

1? 引言

傳感器原理課程是電子信息專業(yè)、自動化與檢測技術(shù)等專業(yè)的一門重要的課程。理解和掌握各種類型傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、采集電路對學(xué)生的進一步學(xué)習(xí)和工作具有重要的意義。但是傳感器課程內(nèi)容又比較煩雜，一方面各種類型的傳感器其工作原理不盡相同，具體信息的采集過程可能牽涉到物理原理或者化學(xué)原理，或者生物原理。另一方面?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)也有不同的形式檢測電路也多種多樣。此外我們也應(yīng)當注意到傳感器課程是一門應(yīng)用性很強的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅要掌握相關(guān)類型傳感器的工作原理，了解其結(jié)構(gòu)和各項參數(shù)。更重要的是要掌握傳感器的使用方法。讓學(xué)生在實踐中去掌握傳感器，去熟悉傳感器。為此相關(guān)院校的教師在課程教學(xué)改革中做了一些工作[1-2]。我校在傳感器的教學(xué)中也采取了相應(yīng)的措施，尤其在實踐教學(xué)方面，課堂教學(xué)中引入了便攜式的Arduino平臺演示各種傳感器，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2? 傳感器教學(xué)中的實踐手段

傳感器教學(xué)實踐中傳統(tǒng)的手段是傳感器課程開設(shè)的實驗。通過集中的課堂實驗，學(xué)生可以將所學(xué)的原理和實際應(yīng)用結(jié)合起來，加深對傳感器知識的理解。但是集中的實驗課程也有其弊端，首先表現(xiàn)在形式不夠靈活，需要拿出專門的時間，到專門的實驗室去進行實驗。其次，由于學(xué)時數(shù)的限制，傳感器開設(shè)的實驗內(nèi)容不可能太多，只能針對幾種典型的傳感器開設(shè)幾個有限的實驗。對于更多種類的傳感器無法方便的進行實驗。

針對傳統(tǒng)實驗課程的缺點，有關(guān)老師在傳感器課程的實踐活動中引入了靈活的傳感器演示平臺。比如利用51系列的單片機進行傳感器實驗的演示[3]。這類演示形式靈活，不占用太多的課堂時間，可以讓學(xué)生直觀的看到傳感器的使用效果。給課堂教學(xué)帶來了一股清新的空氣。但是51系列的單片機對學(xué)生的硬件和編程能力都有一定的要求。學(xué)生往往講很多的精力放到編程上，這樣就造成了喧賓奪主的現(xiàn)象，對傳感器知識的掌握反而減弱了。

針對這種情況，我們在傳感器教學(xué)中引入Arduino這款便攜式傳感其平臺。利用便攜式的硬件開發(fā)平臺實現(xiàn)相關(guān)傳感器的課堂教學(xué)既可以彌補傳統(tǒng)的實驗靈活性不足，占用教學(xué)實踐過多的弊端，又可以彌補對51系列單片機演示程序編寫要求過高的問題。

Arduino是一款軟硬件都開源的設(shè)計平臺，其實質(zhì)相當于一塊小型的單片機開發(fā)板[4]。目前流行的是Arduino Uno 板子。該板子使用起來便捷靈活，學(xué)習(xí)起來簡單易學(xué)，并且價格低廉，具有比較豐富的硬件資源和軟件資源，適合于大學(xué)生甚至是中學(xué)生進行電子制作和實驗課堂使用。由于該平臺具有開源硬件的特點，對應(yīng)的開發(fā)軟件具有比較豐富的函數(shù)，對于編程方面的細節(jié)已經(jīng)以函數(shù)的形式封裝起來，可以使學(xué)生關(guān)注于要實現(xiàn)的主要功能。尤其是對于傳感器教學(xué)來說，由于學(xué)生重點要掌握各類傳感器的特點和參數(shù)，如果使用傳統(tǒng)的單片機開發(fā)板如51系列的單片機開發(fā)板，其實現(xiàn)過程比較繁瑣，學(xué)生要自己編寫很多函數(shù)實現(xiàn)某一功能，這樣對學(xué)生的編程水平要求就較高。因此學(xué)生將比較多的精力放到程序的編寫和調(diào)試中去，容易造成本末倒置，主次不分。而Arduino開發(fā)板則由于其豐富的函數(shù)庫，可以利用自帶的程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的功能，學(xué)生的精力可以放到傳感器本身的使用上。具有靈活方便的特點。通過下面的例子我們可以看到該平臺在傳感器教學(xué)中的作用。

3? Arduino在氣敏傳感器中的應(yīng)用

氣敏傳感器是傳感器中的一類重要的傳感器。在許多的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，需要探測各種各樣的氣體成份及其含量。尤其是當今社會對環(huán)境保護越來越重視，對各企業(yè)向大氣中排放的各種氣體都要進行檢測，從而控制環(huán)境中有害有毒氣體的含量。氣體傳感器在這一過程中起著重要的作用。氣體傳感器根據(jù)其工作原理可以分為熱傳導(dǎo)型氣敏傳感器、接觸燃燒型氣敏傳感器、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器等類型。教師在講解各種類型傳感器的工作原理基礎(chǔ)上，可以利用Arduino開發(fā)板和適當?shù)膫鞲衅鳜F(xiàn)場演示氣體的探測功能。如對于電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器，常見的氣敏傳感器是利用在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料。當空氣中存在如液化氣、氫氣、丙烷等可燃氣體時，二氧化錫的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增多而增大。教師在講解完該類傳感器的工作原理后和探測原理后，可以在課堂上搭建一個簡單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對應(yīng)的電壓值進行顯示。從而可以讓學(xué)生不僅從理論上明白氣敏傳感器的工作原理，更在實際中掌握氣敏傳感器實際的應(yīng)用電路。氣敏傳感器的電路原理圖如圖1所示。

圖1中所用的傳感器是集成化的MQ-2氣體傳感器。該傳感器所用的氣敏材料為二氧化錫。該傳感器具有雙路輸出功能，可以輸出模擬量和TTL電平的信號。模擬量輸出電壓范圍0～5V，對城市煤氣、天然氣、液化氣都有較好的靈敏度，使用壽命較長，穩(wěn)定性高，具有快速響應(yīng)恢復(fù)特性。為了提高電路的靈敏度，電路中采用了電壓比較芯片LM393，使用該芯片可以使測試電路更加穩(wěn)定。實際應(yīng)用中，已經(jīng)將氣敏傳感器連同外部電路做成了一個模塊。只需將模塊的電源接好，將模塊的輸出模擬量接到Arduino開發(fā)板的模擬輸入引腳（如A0引腳），然后編寫簡單的程序即可實現(xiàn)對氣體濃度的檢測。實物連接圖如圖2所示。程序及測試結(jié)果如圖3所示。

圖3中包含了源程序和利用串口觀測到的測試數(shù)據(jù)。程序只是采集數(shù)據(jù)然后發(fā)送到串口顯示，沒有對數(shù)據(jù)做過多處理。程序首先調(diào)用平臺串口函數(shù)對串口波特率做了設(shè)置，然后再循環(huán)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集只用一條語句就可以實現(xiàn)，接著調(diào)用平臺提供的串口函數(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳到電腦端顯示。由于采用了Arduino自帶的函數(shù)，源程序非常簡單，利用開發(fā)板提供的函數(shù)大大降低了編程難度和代碼量，是該開發(fā)平臺的一大優(yōu)點。通過降低編程難度學(xué)生可以將重點放到傳感器的原理上，避免學(xué)生在編程的細節(jié)上花費過多的時間。當然，該平臺也可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，對數(shù)據(jù)也可以進行一定的處理，比如10個數(shù)據(jù)為一組取平均值，測量會更精確一些。這些工作可以放到課下讓同學(xué)們自己完成。

4? 結(jié)語

在傳感器課堂教學(xué)活動中使用便攜式的Arduino開發(fā)平臺可以現(xiàn)場演示實驗效果。該平臺彌補了傳統(tǒng)的集中式實驗占用時間過多，需要專門的場地的弊端。相比較51系列的單片機平臺來說，該平臺硬件電路連接靈活，軟件編寫簡單，是傳感器理論教學(xué)的有益的補充。

參考文獻

[1] 徐杰.“傳感器技術(shù)及其應(yīng)用”課程教學(xué)改革[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（8）：197-198.

[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（6）：16-17.

[3] 宋曉芳.單片機實例設(shè)計在“傳感器與檢測技術(shù) ”課堂教學(xué)中的運用[J].電子測試，2019（18）：137-138.

[4] 戴鳳智，海玉，秦柱偉.Arduino輕松入門[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.