遼寧建筑職業(yè)學院自動控制系 楊中興

Arduino傳感器套件在單片機和傳感檢測技術教學中的應用

遼寧建筑職業(yè)學院自動控制系 楊中興

單片機和傳感檢測技術是理論和實踐并重的課程，傳統(tǒng)教學方法只停留在傳感器原理和輸出信號量測層面，未能向?qū)W生展示單片機及傳感器的實際使用情景。隨著微處理器的發(fā)展，傳感與檢測的智能化已成為趨勢，本文探討Arduino傳感器套件在單片機和傳感檢測技術教學中應用的可行性。

單片機 傳感器 Arduino 電子積木

一、前言

傳感器是現(xiàn)代測控系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，單片機和傳感檢測技術課程是高職院校電氣自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程，其教學目標是讓學生掌握單片機控制各種常用傳感器的工作原理和使用方法。作為實用型學科，教學過程中理論環(huán)節(jié)與實踐環(huán)節(jié)并重，旨在使學生掌握各種傳感器的原理和使用方法及常用的檢測技術。

職業(yè)教育的立足點應是面向生產(chǎn)第一線，培養(yǎng)既有一定理論基礎，又有較強生產(chǎn)實踐技能的高素質(zhì)技能型人才。對于高職院校電氣相關專業(yè)的學生來說，在將來的工作崗位上大多數(shù)學生不會設計傳感器，更多的是如何選擇、使用傳感器；大多數(shù)學生不會設計開發(fā)傳感器信號調(diào)理電路，更多的是集成、測試、準確測量數(shù)據(jù)，解決傳感器在工程應用中的實踐問題。因此，傳感與檢測技術教學應更重視培養(yǎng)學生掌握傳感器的選型、使用、測量、安裝、調(diào)試等技能，提高動手能力，獲取直觀認識，與單片機課程課程相結(jié)合，將學生認知擴展到班級層面，使學生在課堂上就可以得到較好的崗位技能培訓。

實驗和實踐環(huán)節(jié)對學生理解和掌握課程知識至關重要，但傳統(tǒng)教學方法直接量測傳感器輸出信號乃至觀察波形，其教學意義都是非常有限的，學生對傳感器的認知僅停留在元器件層面，仍然不清楚傳感器如何實際運用以及如何集成到一個系統(tǒng)中。

二、Arduino介紹

Arduino源自意大利的一個開源硬件平臺項目，該平臺基于AVR單片機構(gòu)建，開放源碼的硬件平臺，并且提供一套集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。Arduino可以快速開發(fā)產(chǎn)品原型，快速編寫單片機固件程序。Arduino更是一個能夠用來感應和控制現(xiàn)實物理世界的一套工具，可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，如它可以讀取大量的開關和傳感器信號，可以控制各式各樣的電燈、電機和其他物理設備。Arduino開發(fā)板實物圖如圖1所示。

圖1

單片機和傳感檢測技術傳統(tǒng)的實訓環(huán)節(jié)往往從元器件級開始搭建電路，過程復雜繁瑣并且極易出錯，浪費大量課堂時間。而Arduino及其傳感器套件具有電子積木的特點，電子元件和導線已做好封裝，模塊之間只提供接口，很容易在一塊面板上插拔固定，自由組合，可以靈活快速地組成電路，從而達到讓使用者簡便快捷地使用各種傳感器及應用電路，并可實踐相應傳感器的編程方法，通過軟硬件的實驗掌握傳感器特性。

Arduino套件包含的傳感器種類眾多，如數(shù)字量傳感器有：磁感應傳感器、觸摸開關、震動傳感器、傾角傳感器；模擬量傳感器有：電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、線性溫度傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、化學量傳感器等。通過精心設計的實驗環(huán)節(jié)，教學內(nèi)容可覆蓋傳感與檢測技術課程的大部分內(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)。

三、傳感器電子積木的教學應用

1.現(xiàn)行教學法存在的問題

現(xiàn)行單片機和傳感檢測技術實驗實訓環(huán)節(jié)存在一些問題，如實驗過程效率低，為了量測傳感器信號，不可避免要組織元器件、制作電路板、安裝或者焊接元器件等，實驗難度大、效率低、周期長、繁多的準備容易淡化教學主題。

實驗模式固定，缺乏靈活性，學校購置的實驗臺結(jié)構(gòu)固定，限制了教師選用電路的靈活性，限制了學生的發(fā)散思維，學生實驗過程中往往不明就里，只要按照實驗步驟一步步操作就可以完成，實驗效果不理想。

現(xiàn)行傳感器實驗課程往往僅針對傳感器元件設計實驗，成功量測到信號或者顯示出結(jié)果即視為完成實驗。但在實際工作中，傳感器多與微處理器一起組成板級電路系統(tǒng)，所以教學中應更多涉及如何運用傳感器。

傳感器的實驗實訓教學應與單片機技術相結(jié)合，特別是引入Arduino傳感器套件，可以像搭建積木般靈活搭建電路，可以開發(fā)出花樣繁多的傳感器實驗項目，激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力，極大地提高學生的動手能力。

2.實驗實訓中的應用舉例

下面僅以溫度傳感器實驗設計過程示例Arduino傳感器套件在傳感與檢測課程實驗環(huán)節(jié)的應用。溫度傳感器是傳感與檢測技術課程中的重要章節(jié)，向?qū)W生介紹熱敏電子、鉑電阻、熱電偶、DS18B20、AD590、LM35、MAX6577等多種溫度傳感器。

熱電偶是傳感與檢測技術課程的重要章節(jié)，以下以熱電偶為例介紹如何運用Arduino傳感器套件設計實驗實訓環(huán)節(jié)。

熱電偶是基于熱電效應測溫的，兩種不同材質(zhì)的導體A和B組成的閉合回路中，如果兩個節(jié)點的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。常見的K型熱電偶由鎳鉻合金與鎳鋁合金構(gòu)成，輸出電壓（熱電動勢）具有極性。熱電偶的電動勢不僅與熱端溫度有關，還與冷端溫度有關，這就涉及熱電偶的冷端溫度補償。

這些理論知識在課堂上應給學生做充分介紹和清晰講解，可以針對傳感器的不同特性設計不同的實驗環(huán)節(jié)加以驗證。

以K型熱電偶和MAX6675實驗為例。熱電偶將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當導體A和B的兩個連接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個回路電流。這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。如圖2所示。行的電子互動平臺，基于單片機系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用于電子系統(tǒng)設計和互動產(chǎn)品開發(fā)方面。在單片機和傳感檢測技術課程中運用Arduino教學，可以設計開發(fā)新穎的教學內(nèi)容，將傳統(tǒng)授課方式的難點生動靈活的呈現(xiàn)，會取得較好的教學效果。

ISSN2095-6711/Z01-2015-10-0113