便携式实验平台在传感器实践教学中的应用
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作者:刘德国
摘 要：实践是传感器教学活动中一项重要的内容，针对当前传感器实践活动中的课堂实验所存在的问题，我们在课堂教学中引入了便携式的Arduino平台，利用该平台可以在课堂上很方便的进行传感器实验的演示，具有简单灵活的特点。通过该平台在气敏传感器中的应用进一步说明了该平台的优点。
关键词：传感器 实践教学 Arduino平台
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0205-02
Abstract： Practice is an important part of sensor teaching activities. In view of the problems existing in the current classroom experiments in sensor practice activities， we introduce a portable Arduino platform in classroom teaching. Using this platform， we can easily demonstrate sensor experiments in the classroom， which is simple and flexible. The application of the platform in gas sensor further shows the advantages of the platform.
Key Words： Sensor; Practical teaching; Arduino platform
1 引言
传感器原理课程是电子信息专业、自动化与检测技术等专业的一门重要的课程。理解和掌握各种类型传感器的工作原理、结构、采集电路对学生的进一步学习和工作具有重要的意义。但是传感器课程内容又比较烦杂，一方面各种类型的传感器其工作原理不尽相同，具体信息的采集过程可能牵涉到物理原理或者化学原理，或者生物原理。另一方面传感器的结构也有不同的形式检测电路也多种多样。此外我们也应当注意到传感器课程是一门应用性很强的课程，学生在学习过程中不仅要掌握相关类型传感器的工作原理，了解其结构和各项参数。更重要的是要掌握传感器的使用方法。让学生在实践中去掌握传感器，去熟悉传感器。为此相关院校的教师在课程教学改革中做了一些工作[1-2]。我校在传感器的教学中也采取了相应的措施，尤其在实践教学方面，课堂教学中引入了便携式的Arduino平台演示各种传感器，培养学生的动手能力，提高学生的学习兴趣。
2 传感器教学中的实践手段
传感器教学实践中传统的手段是传感器课程开设的实验。通过集中的课堂实验，学生可以将所学的原理和实际应用结合起来，加深对传感器知识的理解。但是集中的实验课程也有其弊端，首先表现在形式不够灵活，需要拿出专门的时间，到专门的实验室去进行实验。其次，由于学时数的限制，传感器开设的实验内容不可能太多，只能针对几种典型的传感器开设几个有限的实验。对于更多种类的传感器无法方便的进行实验。
针对传统实验课程的缺点，有关老师在传感器课程的实践活动中引入了灵活的传感器演示平台。比如利用51系列的单片机进行传感器实验的演示[3]。这类演示形式灵活，不占用太多的课堂时间，可以让学生直观的看到传感器的使用效果。给课堂教学带来了一股清新的空气。但是51系列的单片机对学生的硬件和编程能力都有一定的要求。学生往往讲很多的精力放到编程上，这样就造成了喧宾夺主的现象，对传感器知识的掌握反而减弱了。
针对这种情况，我们在传感器教学中引入Arduino这款便携式传感其平台。利用便携式的硬件开发平台实现相关传感器的课堂教学既可以弥补传统的实验灵活性不足，占用教学实践过多的弊端，又可以弥补对51系列单片机演示程序编写要求过高的问题。
Arduino是一款软硬件都开源的设计平台，其实质相当于一块小型的单片機开发板[4]。目前流行的是Arduino Uno 板子。该板子使用起来便捷灵活，学习起来简单易学，并且价格低廉，具有比较丰富的硬件资源和软件资源，适合于大学生甚至是中学生进行电子制作和实验课堂使用。由于该平台具有开源硬件的特点，对应的开发软件具有比较丰富的函数，对于编程方面的细节已经以函数的形式封装起来，可以使学生关注于要实现的主要功能。尤其是对于传感器教学来说，由于学生重点要掌握各类传感器的特点和参数，如果使用传统的单片机开发板如51系列的单片机开发板，其实现过程比较繁琐，学生要自己编写很多函数实现某一功能，这样对学生的编程水平要求就较高。因此学生将比较多的精力放到程序的编写和调试中去，容易造成本末倒置，主次不分。而Arduino开发板则由于其丰富的函数库，可以利用自带的程序实现复杂的功能，学生的精力可以放到传感器本身的使用上。具有灵活方便的特点。通过下面的例子我们可以看到该平台在传感器教学中的作用。
3 Arduino在气敏传感器中的应用
气敏传感器是传感器中的一类重要的传感器。在许多的工业生产和科学实验中，需要探测各种各样的气体成份及其含量。尤其是当今社会对环境保护越来越重视，对各企业向大气中排放的各种气体都要进行检测，从而控制环境中有害有毒气体的含量。气体传感器在这一过程中起着重要的作用。气体传感器根据其工作原理可以分为热传导型气敏传感器、接触燃烧型气敏传感器、电阻型半导体气敏传感器等类型。教师在讲解各种类型传感器的工作原理基础上，可以利用Arduino开发板和适当的传感器现场演示气体的探测功能。如对于电阻型半导体气敏传感器，常见的气敏传感器是利用在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）作为气敏材料。当空气中存在如液化气、氢气、丙烷等可燃气体时，二氧化锡的电导率随空气中可燃气体浓度的增多而增大。教师在讲解完该类传感器的工作原理后和探测原理后，可以在课堂上搭建一个简单的电路将电导率的变化转化为与该气体浓度相对应的电压值进行显示。从而可以让学生不仅从理论上明白气敏传感器的工作原理，更在实际中掌握气敏传感器实际的应用电路。气敏传感器的电路原理图如图1所示。 图1中所用的传感器是集成化的MQ-2气体传感器。该传感器所用的气敏材料为二氧化锡。该传感器具有双路输出功能，可以输出模拟量和TTL电平的信号。模拟量输出电压范围0～5V，对城市煤气、天然气、液化气都有较好的灵敏度，使用寿命较长，稳定性高，具有快速响应恢复特性。为了提高电路的灵敏度，电路中采用了电压比较芯片LM393，使用该芯片可以使测试电路更加稳定。实际应用中，已经将气敏传感器连同外部电路做成了一个模块。只需将模块的电源接好，将模块的输出模拟量接到Arduino开发板的模拟输入引脚（如A0引脚），然后编写简单的程序即可实现对气体浓度的检测。实物连接图如图2所示。程序及测试结果如图3所示。
图3中包含了源程序和利用串口观测到的测试数据。程序只是采集数据然后发送到串口显示，没有对数据做过多处理。程序首先调用平台串口函数对串口波特率做了设置，然后再循环采集数据，数据采集只用一条语句就可以实现，接着调用平台提供的串口函数将采集的数据传到电脑端显示。由于采用了Arduino自带的函数，源程序非常简单，利用开发板提供的函数大大降低了编程难度和代码量，是该开发平台的一大优点。通过降低编程难度学生可以将重点放到传感器的原理上，避免学生在编程的细节上花费过多的时间。当然，该平台也可以实现更为复杂的功能，对数据也可以进行一定的处理，比如10个数据为一组取平均值，测量会更精确一些。这些工作可以放到课下让同学们自己完成。
4 结语
在传感器课堂教学活动中使用便携式的Arduino开发平台可以现场演示实验效果。该平台弥补了传统的集中式实验占用时间过多，需要专门的场地的弊端。相比较51系列的单片机平台来说，该平台硬件电路连接灵活，软件编写简单，是传感器理论教学的有益的补充。
参考文献
[1] 徐杰.“传感器技术及其应用”课程教学改革[J].科技创新导报，2019（8）：197-198.
[2] 赵月容，陈良.工程专业认证背景下基于创新项目的传感器与检测技术课程教学改革探索[J].黑龍江教育 （ 理论与实践），2019（6）：16-17.
[3] 宋晓芳.单片机实例设计在“传感器与检测技术 ”课堂教学中的运用[J].电子测试，2019（18）：137-138.
[4] 戴凤智，海玉，秦柱伟.Arduino轻松入门[M].北京：化学工业出版社，2015.
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