摘要：針對傳感器教學(xué)枯燥乏味、資源匱乏的問題，我校引入了Arduino作為傳感器教學(xué)實(shí)踐平臺。Arduino具有開源、易學(xué)易用、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，支持多種傳感器擴(kuò)展模塊且易于編程，可以完成紅外遙控、光電傳感器、霍爾傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等各種傳感器實(shí)驗(yàn)。通過引入Arduino平臺，可以激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣和好奇心，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神?？傊?，Arduino平臺在傳感器教學(xué)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景，我校的經(jīng)驗(yàn)可以為傳感器教學(xué)的改進(jìn)和發(fā)展提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：傳感器教學(xué)；Arduino簡介；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1概述

傳感器教學(xué)是現(xiàn)代工程教育中不可或缺的一部分，它通過培養(yǎng)學(xué)生對物理世界的觀測和量化能力，以及對數(shù)據(jù)采集和處理的技能，為學(xué)生提供了實(shí)踐應(yīng)用科學(xué)知識的機(jī)會。隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器教學(xué)的重要性也越來越受到關(guān)注。然而，在傳感器教學(xué)中存在著一些問題，如傳統(tǒng)教學(xué)方法缺乏趣味性和實(shí)驗(yàn)性，學(xué)生參與度不高，以及教學(xué)資源有限等。

為了解決這些問題，近年來，Arduino平臺在傳感器教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種開源的硬件和軟件平臺，Arduino可以通過連接各種傳感器實(shí)時(shí)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其通過數(shù)字信號進(jìn)行處理。這使學(xué)生可以通過實(shí)際操控傳感器和編程來感知和理解物理世界的規(guī)律，有效提高了傳感器教學(xué)的趣味性和實(shí)用性。

筆者作為廣東醫(yī)科大學(xué)的專任教師，講授本科生的“智能醫(yī)學(xué)傳感器”課程（省級一流本科課程）已經(jīng)兩年，充分利用了Arduino平臺開展自己的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將積累的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分享在此，拋磚引玉，供各位教師同行參考，共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。

2Arduino簡介

Arduino是意大利工程師MassimoBanzi與DavidCuartielles研發(fā)設(shè)計(jì)的一款基于AVR單片機(jī)的開源電子平臺。它包含各種型號的Arduino板（硬件）和Arduino集成開發(fā)環(huán)境（軟件）。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知周圍環(huán)境，進(jìn)而控制LED燈亮滅、揚(yáng)聲器發(fā)聲和馬達(dá)旋轉(zhuǎn)等來實(shí)現(xiàn)各種交互式應(yīng)用。Arduino最大的特點(diǎn)是“開源”，其開源協(xié)議允許任何人使用、復(fù)制、修改和分發(fā)該平臺，這促成了Arduino的高度靈活性和可擴(kuò)展性，吸引了大量的開發(fā)者和創(chuàng)新者。在Arduino的開源社區(qū)，全世界的開發(fā)者都參與到Arduino的開發(fā)中，貢獻(xiàn)了大量的代碼、教程、示例和模塊，為Arduino的發(fā)展提供了豐富的資源，幫助了新手快速入門，同時(shí)也為有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者提供了深入研究和探索的機(jī)會。

與傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺［見圖（a）］相比，基于Arduino的傳感器實(shí)驗(yàn)套件［見圖（b）］具有多方面的優(yōu)點(diǎn)。首先，Arduino平臺的開源性使教師和學(xué)生可以自由獲取和分享各種教學(xué)資源，從而豐富了教學(xué)內(nèi)容和方法。其次，Arduino具有簡單易學(xué)的特點(diǎn)，即使是初學(xué)者也可以很快上手，并且可以通過編程進(jìn)行個(gè)性化的功能實(shí)現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力。此外，Arduino支持多種編程語言和開發(fā)環(huán)境，使教師可以根據(jù)學(xué)生的不同水平和興趣進(jìn)行靈活的教學(xué)設(shè)計(jì)和組織。另外，Arduino平臺的低成本也使更多的學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)可以采用這種方法開展傳感器教學(xué)，促進(jìn)了教育資源的共享和普及。

3傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在Arduino開源社區(qū)中，與Arduino兼容的可擴(kuò)展的開源傳感器模塊多達(dá)168種。在我校所采購的國產(chǎn)Arduino傳感器套件中，包含可擴(kuò)展的傳感器模塊共37種［見圖（b）］，支持溫度傳感器、濕度傳感器、光線傳感器、壓力傳感器等多種實(shí)驗(yàn)，配合Arduino軟件編程，能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同的功能。由于篇幅所限，本文僅簡單介紹其中的五種傳感器實(shí)驗(yàn)。

3.1紅外遙控實(shí)驗(yàn)

紅外遙控裝置包括紅外發(fā)射器與紅外接收器兩個(gè)部分。紅外發(fā)射器是一種紅外線發(fā)射二極管，可以將低頻或高頻的電信號轉(zhuǎn)換成載波頻率38kHz的光信號，通過發(fā)射紅外線將信號傳遞給接收裝置。紅外接收器為IC化的一種受光元件，其內(nèi)部是將光電二極管（俗稱接收管）和集成IC共同組合封裝而成，主要接收38kHz頻率的紅外線，而對其他頻率段的紅外信號不敏感。這樣，遙控器發(fā)出載波38kHz頻率的紅外線，被接收器接收并識別，從而完成一次通信［3］。

在實(shí)驗(yàn)中，我們通過Arduino編程識別來自遙控器的按鍵信號（開燈或關(guān)燈），從而控制Arduino主板上的LED燈亮或滅。按下遙控器上的某個(gè)鍵時(shí)，遙控器上的發(fā)射器發(fā)出紅外線，然后被Arduino主板上的紅外接收器接收，調(diào)用IRremote庫中的decode函數(shù)解碼后，識別出按鍵的編號（開燈或關(guān)燈）。若為開燈鍵，則控制Arduino主板上的D13口連接的LED亮起；若為關(guān)燈鍵，則控制此LED熄滅。

3.2U型光電傳感器實(shí)驗(yàn)

U型光電傳感器是一種對射式光電傳感器，整體呈U型。它由一個(gè)發(fā)射端和接收端組成，分別位于U型的兩側(cè)。發(fā)射器中的LED一直不停地發(fā)射紅外光，然后光線被對側(cè)的接收器檢測到［4］。如果發(fā)射器和接收器之間的光束被障礙物擋住，則接收器將檢測不到入射光，導(dǎo)致其輸出電平發(fā)生改變。因此，它可以檢測光線是否被障礙物擋住，廣泛用于速度測量、物體檢測、計(jì)數(shù)和定位等場合。

在實(shí)驗(yàn)中，我們通過Arduino編程來檢測U型光電傳感器中間的光線是否被障礙物擋住。若被擋住，則控制Arduino主板上的D13口連接的LED亮起；若未被擋住，則控制此LED熄滅。以此模擬工廠中的限位開關(guān)的工作原理，當(dāng)傳送帶運(yùn)行到某個(gè)位置時(shí)，傳送帶上的凸起部分會遮擋住U型光電傳感器中間的光線，從而觸發(fā)LED亮燈報(bào)警。

3.3霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，它是指當(dāng)導(dǎo)體通過均勻的磁場時(shí)，載流子的自然電子漂移導(dǎo)致磁場對這些載流子施加洛倫茲力，造成了電荷分離，使其底部或頂部積聚了正電荷或負(fù)電荷，從而產(chǎn)生電壓［5］?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用非常廣泛，可用于測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速等。

在實(shí)驗(yàn)中，我們使用的是開關(guān)型霍爾傳感器，開關(guān)霍爾傳感器由電壓調(diào)節(jié)器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出端子組成，輸出布爾值（高電平或低電平）。當(dāng)霍爾傳感器接近磁鐵時(shí)，傳感器的引腳A0的值發(fā)生改變，當(dāng)該值超過電位器設(shè)定的閾值時(shí)，將輸出低電平，相應(yīng)的LED燈亮起。反之，當(dāng)霍爾傳感器遠(yuǎn)離磁鐵時(shí)，傳感器的引腳A0的值發(fā)生改變，當(dāng)該值低于電位器設(shè)定的閾值時(shí)，將輸出高電平，相應(yīng)的LED燈熄滅。

3.4溫度傳感器實(shí)驗(yàn)

溫度傳感器是一種能夠?qū)囟冗@個(gè)非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，其種類繁多。根據(jù)材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，常見的溫度傳感器包括熱電阻和熱電偶兩種。熱敏電阻是熱電阻中的一種，利用半導(dǎo)體材料對溫度敏感的特性制成。根據(jù)其感溫特性，熱敏電阻又分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和正溫度系數(shù)熱敏電阻。實(shí)際生活中，大多數(shù)熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，其電阻值隨溫度升高而降低［6］。由于熱敏電阻對溫度的變化非常敏感，所以在工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在實(shí)驗(yàn)中，我們所使用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻模塊。該模塊除了可以對溫度進(jìn)行檢測外，還有內(nèi)置了一個(gè)比較器LM393，可以同時(shí)輸出數(shù)字和模擬兩種信號，可用于溫度測量和溫度報(bào)警。當(dāng)火焰接近熱敏電阻時(shí)，其電阻值會降低，一旦降到低于比較器設(shè)定的閾值，將輸出高電平。通過Arduino編程可以檢測到此高電平，并驅(qū)動連接到Arduino主板的D13上的LED燈亮起報(bào)警。反之，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，熱敏電阻的溫度逐漸降低，其電阻值會升高，將輸出低電平，驅(qū)動LED燈熄滅。同時(shí)，我們還可以編程讀取與熱敏電阻相連的A0口的模擬電壓值，并調(diào)用Serial.print（）函數(shù)將電壓值顯示在電腦上，通過ArduinoIDE中的串行監(jiān)視器上實(shí)時(shí)察看。

3.5超聲波傳感器距離檢測實(shí)驗(yàn)

超聲波傳感器由壓電晶片組成，兼具有發(fā)射和接收超聲波的功能。當(dāng)它發(fā)射超聲波時(shí)，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動產(chǎn)生超聲波，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；當(dāng)它接收超聲波時(shí)，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將超聲波振動轉(zhuǎn)換為電信號，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

超聲波測距的原理類似于蝙蝠的回聲定位，是通過測量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射回來的時(shí)間，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離［7］。具體來說，超聲波傳感器首先發(fā)出超聲波信號，然后接收器會接收到障礙物反射回來的信號。通過測量信號發(fā)射和接收的時(shí)間差，就能夠計(jì)算出傳感器與障礙物之間的間距。由于超聲波在空氣中傳播速度相對穩(wěn)定，約為340m/s，因此這種方法具有很高的精度和可靠性。

在實(shí)驗(yàn)中，我們用Arduino單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對超聲波信號的發(fā)送和接收之間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出值就是回聲返回時(shí)間。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的時(shí)鐘周期T=1/晶振頻率，往返距離=340m/s×（計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘數(shù)×?xí)r鐘周期），所以傳感器與障礙物之間的單程距離=往返距離/2=340m/s×（計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘數(shù)×?xí)r鐘周期）/2。為方便查看所檢測到的障礙物的距離，還可以將計(jì)算出的數(shù)值顯示在液晶顯示屏上，或通過串口顯示在電腦的串行監(jiān)視器上。

4結(jié)論

Arduino作為一種開源硬件平臺，具有低成本、易編程和易擴(kuò)展等特點(diǎn)，在傳感器教學(xué)中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。首先，Arduino提供了豐富的傳感器接口和庫函數(shù)支持，可以方便地與各種傳感器進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)采集。其次，Arduino的開放性和靈活性使學(xué)生可以自由組合各種傳感器和外設(shè)，進(jìn)行創(chuàng)新性的實(shí)踐和設(shè)計(jì)。使用Arduino進(jìn)行傳感器教學(xué)，可以使學(xué)生更加直觀地理解傳感器的原理和應(yīng)用，提高他們的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者感觸最深的一點(diǎn)是，傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格不菲（售價(jià)約8500元），且操作不便，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中畏首畏尾、害怕出錯(cuò)；而Arduino傳感器套件非常便宜（售價(jià)約400元）且操作方便，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中敢于動手、勇于創(chuàng)新。通過Arduino，學(xué)生可以自己動手搭建傳感器實(shí)驗(yàn)電路，并編寫相應(yīng)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。這種實(shí)踐性的教學(xué)方式可以提高學(xué)生對傳感器原理和應(yīng)用的理解，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，并培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。

此外，使用Arduino進(jìn)行傳感器教學(xué)還可以給學(xué)生提供一個(gè)開放性的平臺，讓他們自由地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維。其中，有一個(gè)學(xué)生基于Arduino平臺自主創(chuàng)新，綜合運(yùn)用紅外傳感器、光電傳感器、壓力傳感器等多方面知識，設(shè)計(jì)了一款能定時(shí)、定量、定點(diǎn)給實(shí)驗(yàn)小鼠喂食的自動化裝置，將實(shí)驗(yàn)人員從日?？菰锏男∈笪故彻ぷ髦薪夥帕顺鰜?，該作品在我校電子設(shè)計(jì)競賽中榮獲二等獎(jiǎng)，且發(fā)表了相關(guān)論文。

總之，Arduino作為一種開源硬件平臺，在傳感器教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。進(jìn)一步研究和推廣Arduino在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用，對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要意義。

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基金項(xiàng)目：2022年度廣東省本科高校在線開放課程指導(dǎo)委員會研究課題《“AI技術(shù)+AI應(yīng)用場景”培育智能醫(yī)學(xué)工程新工科雙創(chuàng)人才在線開放課程創(chuàng)新研究》（項(xiàng)目編號：2022ZXKC187）；2021年度廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金區(qū)域聯(lián)合基金——青年基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2021A1515110494）

作者簡介：彭榮超（1987—），男，漢族，湖南岳陽人，博士，副教授，研究方向：穿戴式醫(yī)療設(shè)備。

*通訊作者：馬莎（1984—），女，漢族，陜西西安人，博士，講師，研究方向：康復(fù)系統(tǒng)研發(fā)、機(jī)器視覺應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)工程建模。