傳感器教學(xué)演示開發(fā)板的研制

廣州市增城區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校 歐祖常

隨著大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新的社會(huì)發(fā)展潮流，創(chuàng)新的科技技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，成為我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)生活中比較重要的組成部分。學(xué)習(xí)電子信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)中國制造2025的需要，在學(xué)習(xí)電子信息技術(shù)的過程中，學(xué)好傳感器的應(yīng)用是十分重要的。在調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普通中小學(xué)學(xué)校在培訓(xùn)學(xué)生創(chuàng)客創(chuàng)新作品的傳感器教學(xué)中，一般都是老師講解單一的傳感器理論知識(shí)，然后通過買來的模塊用指示燈演示效果，一旦要應(yīng)用到其他領(lǐng)域，學(xué)生就會(huì)感到抽象和深?yuàn)W，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，不利于對知識(shí)的深度理解和應(yīng)用，教學(xué)效果不明顯。作為老師，很多時(shí)候由于沒有足夠的設(shè)備，生搬書本的內(nèi)容，不利于教師的發(fā)展。

為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電子信息技術(shù)過程中，更好的掌握傳感器技術(shù)，發(fā)揮傳感器在人工智能中的作用，經(jīng)過大量的調(diào)查和結(jié)合學(xué)生的需求，利用單片機(jī)技術(shù)，研發(fā)了“傳感器教學(xué)演示開發(fā)板” 。

1 項(xiàng)目研發(fā)目的

1)教師使用這個(gè)演示開發(fā)板可以形象直觀的講授光電和光敏傳感器、聲控傳感器、超聲波傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、霍爾傳感器和氣體傳感器等傳感器技術(shù)，展示知識(shí)的生成過程，演示開發(fā)板可以直接在課室使用，避免了學(xué)校缺少實(shí)訓(xùn)室或設(shè)備不能上課的情況出現(xiàn)。

2)學(xué)生利用這個(gè)演示板能清晰、深入淺出地體現(xiàn)、理解傳感器技術(shù)，充滿歡樂，開闊學(xué)生思路，提高學(xué)生的自學(xué)能力，學(xué)得快的學(xué)生還可以結(jié)合單片機(jī)技術(shù)編程，開發(fā)出各有特色的傳感器開發(fā)板。

3)在學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器演示開發(fā)板的過程中，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神，提高學(xué)生對傳感器應(yīng)用的意識(shí)。

2 項(xiàng)目研究過程

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

本項(xiàng)目主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、液晶顯示、LED燈顯示、按鍵選擇模塊、遙控模塊和各個(gè)傳感器模塊組成。其中圖1中AC表示模擬信號(hào)，DC表示數(shù)字信號(hào)。

圖1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 設(shè)計(jì)思路

2.2.1 傳感器基本演示實(shí)驗(yàn)

市場上買回來的的傳感器模塊一般都有傳感器器件和運(yùn)算放大電路組成，用傳感器模塊的DC輸出到單片機(jī)，單片機(jī)控制LED燈指示，驗(yàn)證有傳感器存在的信號(hào)。這種演示方法只能是驗(yàn)證傳感器的信號(hào)產(chǎn)生了變化，但實(shí)現(xiàn)不了傳感器信號(hào)變化的大小，特別像壓力傳感器、氣體傳感器等能看到它們的變化大小,學(xué)生的理解會(huì)更好，還有特殊的傳感器像超聲波傳感器，必須通過單片機(jī)編程才能實(shí)現(xiàn)效果。

2.2.2 傳感器全功能演示實(shí)驗(yàn)

為了解決傳感器基本演示實(shí)驗(yàn)留下的缺陷，用傳感器的AC模擬信號(hào)輸出到單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換處理，再送到液晶顯示模塊顯示。在液晶上可以清晰的看到傳感器產(chǎn)生的變化過程。超聲波傳感器可以正確的顯示被測距離。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)的功能是對傳感器輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換處理，需要用到AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器有兩種方案，第一種是外加8位ADC0809芯片，第二種是用內(nèi)部帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，為節(jié)省成本采用自帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)STC15F2K60S2，STC15F2K60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī),最多有42個(gè)I/O口，可以為多個(gè)傳感器模塊提供接口，它是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。跟電子專業(yè)所開的《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程的C語言程序設(shè)計(jì)一致，可當(dāng)該課程的開發(fā)板使用，單片機(jī)內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,不用再設(shè)計(jì)外部復(fù)位電路了，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)就方便很多了，省了外部復(fù)位電路，而且復(fù)位是非常可靠的,單片機(jī)自帶2路PWM,可以做音樂演示實(shí)驗(yàn)，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換滿足傳感器演示板的需要。

2.3.2 液晶顯示和LED顯示模塊

液晶顯示選用不帶字庫的采用芯片為KS0108的12864中文液晶，這款液晶能顯示文字、數(shù)字和圖形，滿足用來顯示各種傳感器效果和參數(shù)的要求，編程通俗易懂，選用不帶字庫的原因是字體和圖形方便編輯，在無字庫12864液晶模塊顯示屏上顯示圖形或漢字時(shí)，可以利用字模提取軟件獲得圖形或漢字的點(diǎn)陣代碼，并且仿真軟件PROTUES 對接，為編程開發(fā)帶來方便，從而縮短了開發(fā)的周期。LED顯示模塊采用紅綠藍(lán)三種顏色的LED燈，用來顯示各種傳感器的工作狀態(tài)。

2.3.3 按鍵選擇結(jié)合紅外遙控模塊

按鍵采用4*4鍵盤，采用鍵盤的好處是可以節(jié)省I/O口，16個(gè)按鍵只需要8個(gè)I/O口，無須再外接其他電路，節(jié)省成本。4*4鍵盤可以作為功能鍵使用，更可以當(dāng)做數(shù)字鍵使用，在需要輸入數(shù)據(jù)來控制傳感器時(shí)，4*4鍵盤可以發(fā)揮最大的用處。為了讓更好的操作傳感器演示板給學(xué)生觀看，加入紅外遙控模塊，紅外遙控模塊采用20鍵38KNEC編碼格式的小型遙控器，這款遙控器在市場上比較常見，解碼編程也相對簡單，解碼部分采用通用一體化遙控紅外接收頭HX1838B。

2.3.4 傳感器模塊

1)光電、光敏傳感器

光電傳感器一般由一對光電開關(guān)（發(fā)射管和接收管）、LM328運(yùn)算放大電路和DC輸出端組成，通過調(diào)節(jié)LM328運(yùn)算放大電路中的電位器可以改變光電管檢測的距離。光敏傳感器模塊一般由光敏電阻、LM328運(yùn)算放大電路和AC、DC輸出端。同樣通過調(diào)節(jié)LM328運(yùn)算放大電路中的電位器可以改變光亮度的值，AC端輸出到單片機(jī)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換可以看到光敏電阻變化過程。

2)溫濕度傳感器模塊

市場上的溫濕度傳感器模塊一般有兩種，一種是I2C通訊的SHT20數(shù)字溫濕度傳感器，這種溫濕度傳感器體積微小、響應(yīng)迅速、低能耗、可浸沒、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體，兼有露點(diǎn)測量。采用CMOSens TM技術(shù)將溫、濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)，具有比其他類型濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。適合多個(gè)場合演示給學(xué)生看效果。另外一種是單總線通信的DHT11或是DHT22溫濕度傳感器,這類型的傳感器可接入演示板的溫濕度傳感器專用接口。

3)超聲波傳感器

超聲波傳感器第一個(gè)功能通過演示測量距離，來學(xué)習(xí)超聲波傳感器的發(fā)射與接受過程；第二個(gè)功能是接入演示板測試超聲波傳感器性能的好壞。具體電路調(diào)試：1)演示板上接上超聲波傳感器并打開電源。2)用手放在超聲波傳感器接收管和發(fā)射管的前面，觀察液晶顯示。3)把手移開，再觀察液晶顯示。4)使用萬用表，在用手擋住或把手離開的情況下，分別檢測超聲波傳感器上集成運(yùn)放的輸出端的電壓。5)還可以使用示波器，在用手擋住或把手離開的情況下，分別檢測接收引腳的波形。

4)聲控傳感器

聲控傳感器一般由兩種傳感器組成，一種是壓電陶瓷片和比較放大電路組成，另外一種由咪頭和信號(hào)放大電路組成。這兩種聲控傳感器同樣有AC和DC輸出，按光電和光敏傳感器的編程方法處理即可。

5)氣體傳感器

本演示板可演示的氣體傳感器有：酒精傳感器、一氧化碳傳感器、煤氣傳感器、天然氣傳感器、煙霧傳感器、氫氣傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。這類型的模塊一般有兩個(gè)輸出，一個(gè)是DC輸出，一個(gè)是AC輸出，通過可以通過調(diào)節(jié)電位器改變氣體傳感器的靈敏度。編程算法按光電和光敏傳感器方法處理，顯示部分可以采圖形形象化，氣體傳感器的變化更直觀。

6)霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器模塊主要是由霍爾傳感器3144、LM328運(yùn)算放大電路和DC輸出端組成，編程算法按光電和光敏傳感器方法處理。

7)壓力傳感器模塊

稱重傳感器模塊主要由稱重傳感器、信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換部分主要由專用型高精度24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711實(shí)現(xiàn)；通過編程把中文液晶12864和4*4矩陣鍵盤聯(lián)系起來，組成一個(gè)電子稱，在演示的時(shí)候，就更直觀，學(xué)生的印象就更加深刻，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

1)上述用到的傳感器輸出有AC端的都需要用到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，下面以STC15F2K60S2單片機(jī)的P1.0作為A/D轉(zhuǎn)換功能為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2：

圖2

2)無字庫12864液晶模塊的操作子程序包括以下幾個(gè)部分：

a)判忙程序：每次要對液晶寫命令或數(shù)據(jù)時(shí)都要等LCD空閑才可以操作。

b)命令寫入子程序void wreg()

c)數(shù)據(jù)寫入子程序void wdata()

d)設(shè)置顯示初始頁子程序void pagefirst()

e)設(shè)置顯示初始列子程序void columnfirst()

f)清屏子程序void ready_12864()

g)顯示16*16漢字子程序void dishz()

h)顯示圖像子程序void dispic()

i)初始化：寫入命令0x3f開液晶顯示，寫入命令0xc0正常顯示.

3)4*4矩陣鍵盤的掃描原理

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3，4*4鍵盤掃描方法是：P30～P33接在行線上為輸出線，P34～P37接在為輸入線。首先STC15單片機(jī)將行線（P30～P33）全部拉到低電平，此時(shí)由列線讀入數(shù)據(jù)，如果此時(shí)列線上的電平全部為高電平則沒有鍵按下，當(dāng)有低電平出現(xiàn)在列線上時(shí)，調(diào)用延時(shí)程序來判斷是否真的有鍵按鍵或還是抖動(dòng)現(xiàn)象。延時(shí)完成后再判斷是否有低電平，如果此時(shí)讀入列線數(shù)據(jù)還是有低電平，則說明確實(shí)有鍵按下。最后一步確定鍵值。現(xiàn)在我們以第一行的S1鍵為例，若按下S1后應(yīng)該怎么得到這個(gè)鍵值呢？當(dāng)判斷確實(shí)有鍵按下之后，行線輪流輸出低電平，根據(jù)讀入列線的數(shù)據(jù)可以確定鍵值。首先，單片機(jī)將P30～P33輸出低電平，此時(shí)讀取列線的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)列線讀到的數(shù)據(jù)有低電平，數(shù)值為1110（0x0E），如果我們此時(shí)行線的數(shù)值為1110（0x0E），再把行線和列線的十六進(jìn)制的數(shù)值相加可以確定鍵盤的布局，那么0xEE就代表S1的值了。轉(zhuǎn)到S1鍵功能處理子程序就可以達(dá)到目的。

圖3

3 創(chuàng)新點(diǎn)

1)傳感器演示開發(fā)板可以滿足每位學(xué)生的需求，可以人手一臺(tái)，只要接上5V電源（充電寶，手機(jī)充電器等）就可以使用，方便攜帶，可以在課室使用，不用過多占用實(shí)訓(xùn)室。可學(xué)習(xí)的傳感器有：光敏、光電、氣敏，溫濕度傳感器、霍爾傳感器、壓力稱重傳感器、超聲波傳感器。還配置單片機(jī)ISP下載接口，可以當(dāng)做單片機(jī)開發(fā)板使用。

2)傳感器演示開發(fā)板搭配多種傳感器，學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器知識(shí)的同時(shí)，可以在開發(fā)板上搭建自己電路進(jìn)行創(chuàng)新或創(chuàng)客設(shè)計(jì)，并將開發(fā)的創(chuàng)新或創(chuàng)客作品參加省市的青少年科技創(chuàng)新大賽或創(chuàng)客大賽。

4 結(jié)束語

通過對傳感器演示開發(fā)板的研制，為理實(shí)一體化項(xiàng)目教學(xué)提供了很好的資源，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，以點(diǎn)帶線，以線促面，為其它課程的理實(shí)一體化教學(xué)研究起到了借鑒的作用。