Arduino傳感器套件在傳感器教學中的應用

連云港職業(yè)技術(shù)學院 王雷

針對“傳感器與檢測技術(shù)”課堂教學中存在理論多，難理解，且實踐難的問題，應用Arduino傳感器套件，聯(lián)合單片機的理論，設(shè)計組裝相應的檢測裝置，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。單片機課程的融合，有助于解決當前課堂教學中存在的問題，提升學生對各科知識的融會貫通能力及動手實踐技能。

當今信息爆炸時代，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，在電學專業(yè)中尤為重要。為了增強傳感器的應用，我們在課堂中引入了Arduino傳感器套件參與教學。

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)鞲衅鳌⒂|摸傳感器等各種傳感器40余種用于教學場景。通過精心設(shè)計的實驗實訓環(huán)節(jié)，教學內(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，其教學目標是讓學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，在實訓環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)重復交叉或不融合現(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，造成學生出現(xiàn)知識盲區(qū)，實訓效果大打折扣。

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，又或者由于傳感器的識別精度不夠而導致出現(xiàn)靈敏度過高或過低，這些都會導致設(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中的應用

《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一定要著手于實際應用，綜合課程教學當中的理論知識，為學生詳細闡述電阻應變片電子秤設(shè)計的具體過程，并且在各個流程當中為學生講述對應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。在教學過程中，根據(jù)班級學生的實際情況，選擇是否對所學相關(guān)內(nèi)容進行拓展與創(chuàng)新，結(jié)合當前教育部對職業(yè)院校的教學要求，滿足理論夠用即可得理念，實施科學而有效的教學管理工作，并在實際教學中積極使用現(xiàn)代化的教學手段，按照教學目標進行電子秤設(shè)計，引導學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。當前常用的是電阻應變片式稱重傳感器，電阻應變片的工作原理為將應變片粘貼到受力彈性元件上，當彈性元件受力產(chǎn)生變形時，應變片產(chǎn)生相應的應變，再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電阻變化。應變片一般搭配不平衡電橋進行工作，力引起的相應橋臂電阻變化，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

和學生一起分析完稱重傳感器相關(guān)檢測原理以后，再和學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，學生只要稍不注意，就會導致后期軟件的調(diào)試無法進行或者精度無法達到要求。硬件安裝的過程，既增加了學生的動手能力，也考驗了學生的觀察和領(lǐng)悟能力，同時，反復的組裝，挑戰(zhàn)了學生的耐性，同時，通過觀察與發(fā)現(xiàn)，也增強了學生學習的興趣，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)計制作是實際教學當中的關(guān)鍵部分，在實際教學中要詳細講解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。實際上該同學選用的這個模塊，當電源電壓是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，不是所有同學都能夠順利完成設(shè)計任務，那么可以鼓勵學生在課余時間繼續(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，學生先展示自己的成果，并根據(jù)學生對理論知識掌握的程度不同，個別掌握好的同學進行簡單的理論闡述與講解[3]。最后基于學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，應該如何應對；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，讓學生了解并掌握電阻應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)課的學習中增加相應的實訓實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，大大的增強學生的學習樂趣，進而提高了學生的動手能力，也符合理論與實踐相結(jié)合的一體化教學規(guī)劃，對今后的繼續(xù)求學深造或者就業(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)”課堂教學中的應用[J].安慶師范大學學報(自然科學版),2017,23(04):112-114.