支持探究性教學的光照傳感器自動窗簾設計

王曉曄 溫顯斌 王法玉

摘 要：傳感器原理課程的學習比較枯燥，然而，通過探究性教學模式，學生在教師指導下，通過以“自主、探究、合作”為特征的學習方式對各種傳感器的工作原理進行自主學習、深入探究，可以較好地調動學生的學習積極性。文中以智能家居系統中自動窗簾控制的設計為例，研究項目驅動型探究式教學模式，該模式在物聯網工程專業教學中取得了較好結果。

關鍵詞：探究性教學;傳感器原理;自動窗簾;物聯網;光敏傳感器;實踐教學

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

傳感器原理一直以來都是物聯網工程、自動化、通信工程等專業的核心課程，主要講授將物理學中的位移、力、聲、光和電磁等信號轉換成電信號的原理，經過放大電路和調理電路，進行輸出、顯示和傳輸的過程[1-3]。課程涉及物理學、模擬電路、數字電路等內容，涉及的知識面廣、理論性強，教學內容比較抽象、難于理解，學生學習起來沒有興趣[4]。

本文從項目驅動的角度出發，采用探究式教學模式，以智能家居控制系統為目標，為該課程設計六組課題，以小組為單位，每組5～7人，課程結課時，共同完成小組的項目設計。從課程伊始就對課程實踐要求做了詳細設計，使同學們能夠帶著問題學習、思考。在課程結束時，以小組課題設計完成度作為實踐學時的重要打分依據。通過這種方式的學習和考核，提高學生的動手能力及綜合運用專業知識的能力，同時也使學生對本專業有了更深入的認識。

本文以光照傳感器自動窗簾設計為例，介紹在傳感器原理教學過程中，探究式教學模式的實施。

1 光照傳感器自動窗簾的題目要求

本文通過結合單片機Arduino和光照傳感器設計自動窗簾，通過在不同位置放置光照感知模塊，監測室內外陽光的照度;通過Arduino串口傳輸數據到上位機匯總顯示，實現觀察并記錄，同時要求數據能夠保存一定時間，便于對數據進行對比、分析及運用。另外，窗簾的自動開關控制設備選用步進電機[5]。

窗簾系統擁有手動模式和自動控制模式，兩者可以相互切換。手動模式下，可以通過手機、平板或其他智能設備遠距離控制步進電機的順轉或逆轉，實現窗簾打開或者關上;自動模式下，配合光敏感測器，當陽光太強時自動拉上窗簾;沒有陽光時窗簾自動打開。

2 設計過程中需要學生解決的問題

光照傳感器電路：傳感器元件的選擇、傳感器放大電路的設計及焊接。窗簾控制裝置：步進電機型號的選擇，電機驅動電路的設計、控制與焊接。單片機Arduino控制程序的編寫：實現數據采集、處理、分析與傳送;結合使用node.js軟件與mong.db數據庫，實現光照數據存取與處理。編寫網絡協議：實現感測層與應用層的無線通信，編寫、使用串口程序。界面程序實驗：實現數據顯示、記錄與控制。智能設備：實現手機端的添加與控制，實現人機交互、遠距離傳輸。

3 傳感器設計

3.1 光敏電阻

光敏電阻是用硫化隔等半導體材料制成的特殊電阻器，基于內光電效應，光照愈強阻值愈低，暗電阻一般可達

1.5 MΩ，亮電阻可低于1 kΩ[6]。利用光敏電阻及分壓電路可方便地計算出光敏電阻改變時的電壓變化。光敏電阻感測電路如圖1所示，輸出引腳的電壓值為5 V·R2/（R1+R2），根據光敏電阻的阻值變化可測量出光照強度的變化。將光敏電阻的輸出引腳接到Arduino模擬輸入引腳，可采集到光照照度值。

3.2 單片機Arduino

本文主要選用Arduino UNO單片機進行數據處理及控制[7]，Arduino UNO是Arduino平臺的參考標準模板，UNO的處理器核心采用ATmega328，開發板同時具有14路數字輸入/輸出口，6路模擬輸入。外部擴展電路包括驅動電機、顯示電路、遠程機通信等。

3.3 W5100網絡芯片

W5100是一款多功能的單片網絡接口芯片，內部集成有10/100以太網控制器，使用W5100可以實現沒有操作系統的Internet連接[8]。W5100內部集成了TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層（MAC）和物理層（PHY），硬件TCP/IP協議支持TCP，UDP，IPV4等。W5100提供直接并行總線、間接并行總線及SPI總線3種接口方式。本文系統采用SPI接線方式，只需通過處理器的SPI接口向W5100發送各種指令即可。

3.4 步進電機驅動電路

步進電機是數字脈沖驅動電機，電源送入一個脈沖信號時，轉子旋轉一定的角度稱為一個步進角[9]。轉子轉動的步數與輸入脈沖數成正比，轉子轉動的速度與數字脈波頻率成正比，無需復雜的閉環回路回授控制即可得到較高的精確度。

3.4.1 步進電機工作方式

步進電機采用四相電機，按照不同的激勵順序可以控制步進電機的旋轉方向，驅動窗簾的開、關控制，具體見表1。

3.4.2 步進電機的驅動電路

驅動步進電機所需設備包含驅動電路及直流電源，控制流程如圖2所示。

ULN2003是一種高耐壓、大電流的達林頓陳列，由7個NPN達林頓管組成[10]，灌電流可達500 mA，在關態時能夠承受50 V電壓，可在高負載電流下并行輸出，作為驅動元件。

4 硬件部分整體電路

整體電路如圖3所示，借助Arduino對四相步進電機進行控制時需通過I/O口輸出具有一定時序的方波作為步進電機的控制信號，ULN2003可直接與負載電機相連，并驅動步進電機，電機的轉動精度可由機械設計與Arduino程序保證。該芯片在5 V工作電壓下與TTL及CMOS電路相連，可保證負載電流的供給，同時減少驅動芯片被燒毀的事故。

5 軟件設計流程

自動窗簾開關系統為CS架構，服務器端對數據進行采集、存儲、統計及顯示，接收應用端的數據請求與控制信息，定時對硬件電路數據進行采集。移動應用端可以向服務器端請求數據，發送控制命令。硬件控制端可以接收服務器端發來的控制命令，進行窗簾的開、關操作，也可通過傳感器感應到的光強信號自動開、關窗簾。軟件流程如圖4所示。

6 結 語

將上述題目分配給小組成員，雖然題目有些難度，但激發了學生的學習熱情，為了理解題目中的每個細節，同學們在課堂上大膽提問，認真學習傳感器的工作原理，下課之余查閱資料，分工合作，在課題老師的帶領下設計相關硬件與軟件。課程結束時，學生們完成了課題任務，不僅對傳感器原理有了深刻的認識，還提高了綜合運用所學硬件與軟件知識解決問題的能力。

參 考 文 獻

[1]石魯生，朱慧博.無線傳感器網絡數據融合技術與展望[J]物聯網技術，2017，7（8）：31-33.

[2]趙翠芹，施運應，潘潔，等.智能家居系統的設計與實現[J].物聯網技術，2018，8（6）：68-71.

[3]龐晶，蘇雙臣，柴洪濤，等.傳感器與檢測技術教學改革研究[J].北華航天工業學院學報，2014，24（1）：61-62.

[4]楊釗，吳睿.論大學教學改革與探索：以《傳感器技術》教改為例[J].科技經濟導刊 ，2018，26（23）：173.

[5]李桂香，張君玲，鄒宇琳，等.教室照明節能控制系統研究[J].物聯網技術，2018，8（2）：109-111.

[6]劉少強，張靖.傳感器設計與應用實例[M].北京：中國電力出版社，2008.

[7]熊慧，邱博文，劉近貞.開源平臺Arduino硬件生態擴充研究[J].實驗室研究與探索，2019（6）：103-106.

[8]王勇，孫立功，張立文，等.基于W5100芯片的網絡通信電路設計[J].電腦與電信，2014（6）：35-36.

[9]田秋實，趙鵬.步進電機控制器設計[J].中國科技信息，2019（14）：69-71.

[10]徐凱英，馬奎.中大功率達林頓管版圖設計[J].電子技術應用，2019（5）：31-33.