支持探究性教学的光照传感器自动窗帘设计

王晓晔 温显斌 王法玉

摘 要：传感器原理课程的学习比较枯燥，然而，通过探究性教学模式，学生在教师指导下，通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式对各种传感器的工作原理进行自主学习、深入探究，可以较好地调动学生的学习积极性。文中以智能家居系统中自动窗帘控制的设计为例，研究项目驱动型探究式教学模式，该模式在物联网工程专业教学中取得了较好结果。

关键词：探究性教学;传感器原理;自动窗帘;物联网;光敏传感器;实践教学

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

传感器原理一直以来都是物联网工程、自动化、通信工程等专业的核心课程，主要讲授将物理学中的位移、力、声、光和电磁等信号转换成电信号的原理，经过放大电路和调理电路，进行输出、显示和传输的过程[1-3]。课程涉及物理学、模拟电路、数字电路等内容，涉及的知识面广、理论性强，教学内容比较抽象、难于理解，学生学习起来没有兴趣[4]。

本文从项目驱动的角度出发，采用探究式教学模式，以智能家居控制系统为目标，为该课程设计六组课题，以小组为单位，每组5～7人，课程结课时，共同完成小组的项目设计。从课程伊始就对课程实践要求做了详细设计，使同学们能够带着问题学习、思考。在课程结束时，以小组课题设计完成度作为实践学时的重要打分依据。通过这种方式的学习和考核，提高学生的动手能力及综合运用专业知识的能力，同时也使学生对本专业有了更深入的认识。

本文以光照传感器自动窗帘设计为例，介绍在传感器原理教学过程中，探究式教学模式的实施。

1 光照传感器自动窗帘的题目要求

本文通过结合单片机Arduino和光照传感器设计自动窗帘，通过在不同位置放置光照感知模块，监测室内外阳光的照度;通过Arduino串口传输数据到上位机汇总显示，实现观察并记录，同时要求数据能够保存一定时间，便于对数据进行对比、分析及运用。另外，窗帘的自动开关控制设备选用步进电机[5]。

窗帘系统拥有手动模式和自动控制模式，两者可以相互切换。手动模式下，可以通过手机、平板或其他智能设备远距离控制步进电机的顺转或逆转，实现窗帘打开或者关上;自动模式下，配合光敏感测器，当阳光太强时自动拉上窗帘;没有阳光时窗帘自动打开。

2 设计过程中需要学生解决的问题

光照传感器电路：传感器元件的选择、传感器放大电路的设计及焊接。窗帘控制装置：步进电机型号的选择，电机驱动电路的设计、控制与焊接。单片机Arduino控制程序的编写：实现数据采集、处理、分析与传送;结合使用node.js软件与mong.db数据库，实现光照数据存取与处理。编写网络协议：实现感测层与应用层的无线通信，编写、使用串口程序。界面程序实验：实现数据显示、记录与控制。智能设备：实现手机端的添加与控制，实现人机交互、远距离传输。

3 传感器设计

3.1 光敏电阻

光敏电阻是用硫化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，基于内光电效应，光照愈强阻值愈低，暗电阻一般可达

1.5 MΩ，亮电阻可低于1 kΩ[6]。利用光敏电阻及分压电路可方便地计算出光敏电阻改变时的电压变化。光敏电阻感测电路如图1所示，输出引脚的电压值为5 V·R2/（R1+R2），根据光敏电阻的阻值变化可测量出光照强度的变化。将光敏电阻的输出引脚接到Arduino模拟输入引脚，可采集到光照照度值。

3.2 单片机Arduino

本文主要選用Arduino UNO单片机进行数据处理及控制[7]，Arduino UNO是Arduino平台的参考标准模板，UNO的处理器核心采用ATmega328，开发板同时具有14路数字输入/输出口，6路模拟输入。外部扩展电路包括驱动电机、显示电路、远程机通信等。

3.3 W5100网络芯片

W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接[8]。W5100内部集成了TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY），硬件TCP/IP协议支持TCP，UDP，IPV4等。W5100提供直接并行总线、间接并行总线及SPI总线3种接口方式。本文系统采用SPI接线方式，只需通过处理器的SPI接口向W5100发送各种指令即可。

3.4 步进电机驱动电路

步进电机是数字脉冲驱动电机，电源送入一个脉冲信号时，转子旋转一定的角度称为一个步进角[9]。转子转动的步数与输入脉冲数成正比，转子转动的速度与数字脉波频率成正比，无需复杂的闭环回路回授控制即可得到较高的精确度。

3.4.1 步进电机工作方式

步进电机采用四相电机，按照不同的激励顺序可以控制步进电机的旋转方向，驱动窗帘的开、关控制，具体见表1。

3.4.2 步进电机的驱动电路

驱动步进电机所需设备包含驱动电路及直流电源，控制流程如图2所示。

ULN2003是一种高耐压、大电流的达林顿陈列，由7个NPN达林顿管组成[10]，灌电流可达500 mA，在关态时能够承受50 V电压，可在高负载电流下并行输出，作为驱动元件。

4 硬件部分整体电路

整体电路如图3所示，借助Arduino对四相步进电机进行控制时需通过I/O口输出具有一定时序的方波作为步进电机的控制信号，ULN2003可直接与负载电机相连，并驱动步进电机，电机的转动精度可由机械设计与Arduino程序保证。该芯片在5 V工作电压下与TTL及CMOS电路相连，可保证负载电流的供给，同时减少驱动芯片被烧毁的事故。

5 软件设计流程

自动窗帘开关系统为CS架构，服务器端对数据进行采集、存储、统计及显示，接收应用端的数据请求与控制信息，定时对硬件电路数据进行采集。移动应用端可以向服务器端请求数据，发送控制命令。硬件控制端可以接收服务器端发来的控制命令，进行窗帘的开、关操作，也可通过传感器感应到的光强信号自动开、关窗帘。软件流程如图4所示。

6 结 语

将上述题目分配给小组成员，虽然题目有些难度，但激发了学生的学习热情，为了理解题目中的每个细节，同学们在课堂上大胆提问，认真学习传感器的工作原理，下課之余查阅资料，分工合作，在课题老师的带领下设计相关硬件与软件。课程结束时，学生们完成了课题任务，不仅对传感器原理有了深刻的认识，还提高了综合运用所学硬件与软件知识解决问题的能力。

参 考 文 献

[1]石鲁生，朱慧博.无线传感器网络数据融合技术与展望[J]物联网技术，2017，7（8）：31-33.

[2]赵翠芹，施运应，潘洁，等.智能家居系统的设计与实现[J].物联网技术，2018，8（6）：68-71.

[3]庞晶，苏双臣，柴洪涛，等.传感器与检测技术教学改革研究[J].北华航天工业学院学报，2014，24（1）：61-62.

[4]杨钊，吴睿.论大学教学改革与探索：以《传感器技术》教改为例[J].科技经济导刊 ，2018，26（23）：173.

[5]李桂香，张君玲，邹宇琳，等.教室照明节能控制系统研究[J].物联网技术，2018，8（2）：109-111.

[6]刘少强，张靖.传感器设计与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2008.

[7]熊慧，邱博文，刘近贞.开源平台Arduino硬件生态扩充研究[J].实验室研究与探索，2019（6）：103-106.

[8]王勇，孙立功，张立文，等.基于W5100芯片的网络通信电路设计[J].电脑与电信，2014（6）：35-36.

[9]田秋实，赵鹏.步进电机控制器设计[J].中国科技信息，2019（14）：69-71.

[10]徐凯英，马奎.中大功率达林顿管版图设计[J].电子技术应用，2019（5）：31-33.