學習行為 監測臺燈

◆江蘇省無錫市新城中學 許文睿

一個周日，我無意中聽到一位駕校學員說，他在線上學習理論知識、看視頻時都會留下記錄，上車練習前還要按指紋打卡，防止有些學員“渾水摸魚”。我琢磨著，我做作業的時間能否也被自動記錄，反映真實的學習情況？查閱資料后，我決定以臺燈為載體進行研究。

一、結構部件

學習行為監測臺燈主要由臺燈、變壓器、熱釋電傳感器、聲音傳感器、漫反射傳感器、實時時鐘模塊等組成。

變壓器用來變換電壓，為電路提供工作電源。熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器，當人體紅外線照射到傳感器上，因熱釋電效應向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生控制信號。這種專門設計的探頭只對波長為10μm左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發探頭動作，可在本項目中檢測是否有人。

聲音傳感器內置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，導致電容發生變化而產生與之對應變化的微小電壓。這個電壓隨后被轉化成0～5V的電壓，經過A/D轉換后變成數字量，數字越大聲音越大。漫反射傳感器即光電傳感器，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測是否有物體。此外，它還能檢測人的坐姿。實時時鐘模塊檢測日期的變化。

二、制作過程

剛開始，我將人體紅外傳感器接上5V電源，人體接近時，有3.3V電壓輸出，人體遠離時，過1秒左右輸出電壓變為0V。通過多次實驗，我發現該人體紅外傳感器的有效檢測范圍小，信號變化較快。后來，我網購了檢測范圍可調、信號變化有延時調節功能的人體紅外傳感器，參考其提供的手冊完成了與單片機的信號轉換。漫反射傳感器經網購獲得，接上電源測試正常。

最費事的是聲音的采集及檢測。起初我購買了聲音模塊，接上5V電源，通過朗讀觀察輸出信號指示燈，發現信號輸出指示燈維持時間很短，檢測效果不好，調節電位器后效果也不好。最后，我請教了專業的工程師，在他的幫助下，我通過示波器觀察到了聲音采集的信號波形。

我又買來兩款聲音傳感器，通過實驗對比，最后采用模擬信號傳感器，模擬信號通過模數轉換讀入單片機。實驗發現，采集的聲音信號經模數轉換，所得到的聲音數據沒有規律，暫時沒有合適的技術手段實現朗讀的計時記錄。

工作電源要用變壓器把220V交流電變成8V和12V低壓交流電，再通過整流濾波穩壓變成5V和12V直流電源。

本項目中，我采用的是DS1302實時時鐘模塊，它自帶電池，停電后能繼續走時。它不僅是時鐘，還有對比日期的功能。對比日期就是通過讀取實時時鐘模塊獲得的日期數據，與記錄的日期比較，如果日期不等，則當天的學時數據從零開始計時，同時將讀到的日期保存為當前日期，已經保存的數據則前移一天。

漫反射傳感器是一個集紅外發射、接收于一體的傳感器，可以調節感應距離，當人靠近時有低電平輸出。該傳感器的工作電壓是12V，必須將其轉換為0V和5V的信號后才能被單片機接收。

三、使用方法

打開電源開關，程序初始化，繼電器工作，打開臺燈，程序讀入實時時鐘模塊的日期，比較當前保存的日期與讀入的日期。如果日期不等，則當天的學時數據從零開始計時，同時將讀到的日期保存為當前日期，已經記錄保存的數據則前移一天。

然后程序開始循環掃描各傳感器數據、按鍵狀態，并顯示相關信息。液晶屏上顯示時間、當前學時時長、是否有人、坐姿是否正常等。按“設置”鍵進入設置模式，通過“加”“減”鍵、“移位”鍵可以調整時鐘，按“確認”鍵保存數據。

連續按“設置”鍵可設置一個學時的時長，人離開，自動延長關燈的時間參數。按F6鍵可以查看一段時間內的學時情況。顯示界面如圖2所示。

圖2 臺燈顯示界面

四、創新點

1.做作業時，本作品通過人體紅外傳感器感知有人，自動記錄學習時長。一天的累計學習時長將被保存在存儲器內，當日期發生變化時，當天的累計學習時長重新記錄。存儲器可保存一定天數的記錄，當記錄天數滿后，最早的那天的數據被覆蓋，其他記錄數據都向前移一天。

2.本作品通過麥克風采集聲音，記錄朗讀時長。當人體距離臺燈太近，會提示坐姿不正。人離開臺燈感應區域，到達延時設定的時間后自動關燈。設定時間內人回到臺燈感應區域，臺燈繼續工作。

3.本作品還可以實現當一次連續的學習時長到達設定的一課時，臺燈通過語音提示“休息片刻”。

學習行為監測臺燈能獲取當次學習的開始、結束時間以及人們起身的次數。通過這些數據可以了解學生的學習習慣、學習的專注度，家長可參考相關數據，督促孩子養成良好的學習習慣。

圖3 作者展示作品實物