單片機開發項目在“傳感器與檢測技術”教學中的應用

摘 要：“傳感器與檢測技術”作為電子信息工程相關專業的必修課程，旨在培養學生的實踐能力和應用技術創新能力。針對該課程存在概念復雜、抽象難以理解，缺乏直觀的示例及案例等問題，本文提出采用STC89C52單片機開發項目輔助教學的方式，以光電式傳感器教學為例，開發一套種子下降速度檢測裝置，將具體設計和實物演示融入“傳感器與檢測技術”課程教學。通過此過程，學生可以在課堂學習中了解和掌握漫反射光電傳感器的工作原理、基于單片機的傳感器軟硬件設計和測試方法以及光電式傳感器的具體應用場景。“傳感器與檢測技術”課程教學中融入單片機輔助開發項目，可以培養學生的學習興趣和主動學習能力，提升學生的實踐創新能力，提高課堂教學質量。

關鍵詞：單片機開發項目；傳感器與檢測技術；光電式傳感器；教學應用

一、概述

“中國制造2025”對高校人才培養方案的制訂與實施具有重要的指導意義，提高信息化與工業化深度融合是中國智能制造發展的重要推動力［1］。傳感器與檢測技術作為工業信息化的重要組成部分，在工業控制［2］、環境監測［3］、醫療診斷［4］等領域具有廣泛的應用。在本科高校教學中，“傳感器與檢測技術”是自動化、電子信息、通信工程和電氣工程等信息類專業的專業課程。通過學習該課程，學生能夠掌握傳感器領域的基礎理論知識和實踐技能。由于“傳感器與檢測技術”課程具有跨學科、概念及理論復雜且抽象及其他特點，傳統教學方式難以激發學生的學習興趣。為了解決上述問題，提出采用單片機開發項目輔助“傳感器與檢測技術”課程的教學。通過相關實例展示，學生能夠生動形象地了解傳感器的工作原理及實際應用案例，教師在教學過程中兼顧理論與實踐，可以提高教學效果。

二、“傳感器與檢測技術”課程教學現狀與問題

“傳感器與檢測技術”課程采用陳杰等人主編、高等教育出版社出版的《傳感器與檢測技術》（第二版）教材，該教材共18章內容，包括傳感器特性、電阻式傳感器、電容式傳感器等，共設置48學時（理論課程40學時，實驗課程8學時）。通過相關知識學習，學生全面理解和掌握了傳感器技術的基本原理、設計方法和應用領域，為未來的工作和研究打下了堅實的基礎。但由于課程特點及相關課時安排，該課程的教學可能存在以下問題［5］。

跨學科整合不足：由于“傳感器與檢測技術”課程涉及多個學科領域的知識，教學中可能存在跨學科整合不足的問題，導致學生對相關概念和原理的理解不夠深入和全面。

理論與實踐脫節：課程理論知識較多，但實踐操作相對較少，導致學生難以將理論知識與實際應用結合起來，缺乏對傳感器技術實際操作的經驗和能力。

學生背景差異大：由于學生在學習該課程之前的學科背景和知識水平存在差異，教學中教師可能難以照顧到每個學生的學習需求，導致部分學生跟不上課程進度或感到困惑。

行業需求和課程內容脫節：“傳感器與檢測技術”課程的部分內容可能與現有行業實際需求脫節，未能充分滿足學生未來就業所需的技能和知識。

鑒于“傳感器與檢測技術”課程存在跨學科整合不足、理論與實踐脫節及行業需求和課程內容脫節等問題，本文采用STC89C52單片機開發項目輔助教學的方式，培養學生興趣和動手能力。以光電式傳感器［6］教學為例，分析光電式傳感器原理，設計基于STC89C52單片機的光電傳感系統，演示傳感器功能，形象描述光電式傳感器的原理和應用，加深學生對光電式傳感器原理和應用的理解。

三、單片機開發項目與“傳感器與檢測技術”課程結合

“傳感器與檢測技術”課程的授課對象是本科大三下學期的學生，學生在大二已經學習過“單片機原理及應用”課程，對單片機具有了初步的認識，為其知識內容的引入奠定了基礎。STC89C52單片機［7］是一款低功耗、高性能的8位微處理器，其內部包含定時器、程序存儲器、數據存儲器等硬件設備，具有體積小、價格便宜、功能齊全的特點，能夠進行信號處理和算法運算。單片機開發項目在“傳感器與檢測技術”教學中的應用主要包括硬件設計、軟件編程、數據采集與處理、實時監控與控制等。

單片機的引入，解決了傳感器信號處理問題。教學內容不再局限于傳感器這一類元器件，還將其擴展成一個傳感器信號采集與處理系統，將有關單片機最小系統［8］、信號采集、數據處理等知識加入傳感器教學中。單片機的引入是為了使學生更好地學習掌握傳感器的實踐和應用，從而充分發揮學生的主觀能動性，鍛煉學生發現和解決問題的能力，全面提升學生對知識的掌握質量，提升學生的實訓能力，從而提升教學質量，強化對學生實踐技能的培養。

四、教學實踐——以光電式傳感器為例

（一）光電式傳感器原理

漫反射光電傳感器是一種非接觸式光電式傳感器，其工作原理是漫反射光電傳感器內部的光源發射光線，光線與待測物體相互作用后，產生漫反射信號，漫反射信號被傳感器信號接收單元收集，并轉化為電信號，從而對物體存在及位置信息進行鑒定。漫反射光電傳感器具有靈敏度高、能夠檢測到很小的物體、無損檢測等優點，廣泛用于緊密播種、自動化生產線、包裝輸送線、機器人技術、流水線和物料搬運等領域。

為了讓學生清楚了解漫反射光電傳感器的工作原理及應用場景，本文以漫反射光電傳感器在緊密播種中的應用為例，基于STC89C52單片機和漫反射光電傳感器，開發一種可以實時監測種子下降速度的裝置，漫反射光電傳感器將監測種子的下降速度，速度過快或者過慢時，裝置將會發出報警提醒。漫反射光電傳感器原理圖如圖1所示。

（二）應用案例設計與實現

在對漫反射光電傳感器的檢測原理進行了解后，需要向學生介紹種子下降監測裝置的硬件模塊組成以及作用。硬件部分如圖2所示，其中，電源、晶振、復位電路和單片機構成所需的單片機系統，是實現功能控制的核心部件；漫反射光電傳感器用來監測兩粒種子之間的時間間隔，從而得到待播種種子的下降速度，并且將時間間隔數據傳送至單片機；顯示模塊用來顯示時間間隔數據；報警模塊用來產生報警提示信息，當下降速度較快時發出高頻率報警聲，當下降速度較慢時發出低頻率報警聲；LED燈模塊用來表示設備正處于工作中。漫反射光電傳感器選用LXQDBGLL61NS（NPN）型號。整體電路原理圖如圖3所示。

（三）軟件設計

單片機實踐項目中的軟件設計也是重要的教學任務之一，教師需要在課堂上講解基于STC89C52單片機的種子下降速度監測裝置的主程序運行流程，以及單片機上電后先執行相關硬件設備初始化函數、中斷函數以及開啟定時器。之后開始循環執行檢測程序，軟件流程圖如圖4所示。LCD顯示器上實時顯示時間間隔提示信息，為更好地觀察實驗現象，設定兩粒種子的間隔時間為10～20s時，為種子正常下降速度。若間隔時間小于10s，表示種子下降速度過快，蜂鳴器發出高頻報警聲。若間隔時間大于20s，表示種子下降速度過慢，蜂鳴器發出低頻報警聲。通過對軟件程序設計邏輯的講解，引導學生學習C語言編程的相關基礎知識并將其與單片機技術相結合，應用于單片機實際開發項目中，掌握其中的編程規則和編程方法。

（四）功能測試

在講述漫反射光電傳感器的檢測原理、裝置整體硬件設計和軟件設計后，在課堂上進行實物演示。在演示前講述項目接線以及如何進行程序燒錄，演示過程可以在講臺上進行，演示完成后可以組織感興趣的學生在課下溝通交流，對項目進行進一步完善。在課堂上，針對常見農作物播種過程中的種子下降速度進行檢測。

圖5（a）展示了使用綠豆作為待檢測目標時，在種子下降速度正常時，使用漫反射光電傳感器獲得的兩粒種子之間的時間間隔，從而判斷種子下降速度。圖5（b）展示了種子以較快速度落下時，獲得的種子下降時間間隔，此時蜂鳴器會發出急促的報警聲，說明需要降低種子下降速度。圖5（c）展示了種子以較慢速度落下時，獲得的種子下降時間間隔，此時蜂鳴器會發出緩慢的報警聲，說明需要提高種子下降速度。

五、總結

單片機開發項目在“傳感器與檢測技術”課程教學中的應用具有重要的意義和應用價值，在課堂理論教學中增加實物設計環節，有助于增加對傳感器的直觀認識。本文以光電式傳感器教學為例，開發一套種子下降速度檢測裝置，將具體設計和實物演示融入“傳感器與檢測技術”課程教學中。通過這個過程，學生能夠在有限的課堂學習中了解和掌握漫反射光電傳感器的工作原理、基于單片機的傳感器軟硬件設計以及測試方法，以及光電式傳感器的具體應用場景等。

同樣地，STC89C52單片機還可與電阻式傳感器、電容式傳感器、霍爾傳感器及壓電傳感器等典型傳感器結合，開發相應功能的檢測系統，如液位測量系統、速度檢測系統和壓力檢測儀等。通過相關模塊的設計和功能的實現，學生可以生動地掌握傳感器的概念和原理，培養學習興趣和主動學習能力，提升實踐創新能力。

參考文獻：

［1］柳岸敏，賈健明，涂琴，等.面向“中國制造2025”的高職院校智能實訓基地建設［J］.職教通訊，2019（4）：1114.

［2］鐘曉英.基于智能傳感器網絡的工業生產線監控系統［J］.信息記錄材料，2023，24（7）：246248.

［3］米春，李思穎，牟佳祎，等.基于多傳感器的城市隧道環境監測數據協同融合方法研究［J］.現代隧道技術，2023，60（5）：177185.

［4］王裕鑫，廖常銳，鄒夢強，等.基于雙光子聚合3D打印的MEMS傳感器研究進展（特邀）［J］.中國激光，2024，51（12）：317336.

［5］文靈，謝元媛.基于智能制造專業群中“傳感器及檢測技術”課程教學改革研究［J］.現代制造技術與裝備，2024，60（1）：221224.

［6］傅璐璐.基于光電傳感器的學前兒童機器人室內自動定位方法［J］.貴陽學院學報（自然科學版），2024，19（2）：6469.

［7］周浩.基于STC89C52單片機的小球滾落計時系統設計［J］.輕工科技，2024，40（1）：109112+141.

［8］鄭毅.基于最小單片機系統的比賽計時計分器設計［J］.電子技術，2024，53（4）：318319.

項目：安徽省高校自然科學團隊項目“安徽省智能感知與信息融合優秀科研創新團隊”（2023AH010065）；安徽省高校自然科學重點項目“面向氫氣泄漏監測的激光拉曼光譜傳感系統與應用研究”（2024AH051168）

作者簡介：司趕上（1992— ），男，漢族，安徽宿州人，理學博士，教師，主要從事激光光譜技術及應用研究。