学习行为监测台灯

一个周日，我无意中听到一位驾校学员说，他在线上学习理论知识、看视频时都会留下记录，上车练习前还要按指纹打卡，防止有些学员“浑水摸鱼”。我琢磨着，我做作业的时间能否也被自动记录，反映真实的学习情况？查阅资料后，我决定以台灯为载体进行研究。

一、结构部件

学习行为监测台灯主要由台灯、变压器、热释电传感器、声音传感器、漫反射传感器、实时时钟模块等组成。

变压器用来变换电压，为电路提供工作电源。热释电传感器又称人体红外传感器，当人体红外线照射到传感器上，因热释电效应向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作，可在本项目中检测是否有人。

声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的駐极体薄膜振动，导致电容发生变化而产生与之对应变化的微小电压。这个电压随后被转化成0～5V的电压，经过A/D转换后变成数字量，数字越大声音越大。漫反射传感器即光电传感器，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测是否有物体。此外，它还能检测人的坐姿。实时时钟模块检测日期的变化。

二、制作过程

刚开始，我将人体红外传感器接上5V电源，人体接近时，有3.3V电压输出，人体远离时，过1秒左右输出电压变为0V。通过多次实验，我发现该人体红外传感器的有效检测范围小，信号变化较快。后来，我网购了检测范围可调、信号变化有延时调节功能的人体红外传感器，参考其提供的手册完成了与单片机的信号转换。漫反射传感器经网购获得，接上电源测试正常。

最费事的是声音的采集及检测。起初我购买了声音模块，接上5V电源，通过朗读观察输出信号指示灯，发现信号输出指示灯维持时间很短，检测效果不好，调节电位器后效果也不好。最后，我请教了专业的工程师，在他的帮助下，我通过示波器观察到了声音采集的信号波形。

我又买来两款声音传感器，通过实验对比，最后采用模拟信号传感器，模拟信号通过模数转换读入单片机。实验发现，采集的声音信号经模数转换，所得到的声音数据没有规律，暂时没有合适的技术手段实现朗读的计时记录。

工作电源要用变压器把220V交流电变成8V和12V低压交流电，再通过整流滤波稳压变成5V和12V直流电源。

本项目中，我采用的是DS1302实时时钟模块，它自带电池，停电后能继续走时。它不仅是时钟，还有对比日期的功能。对比日期就是通过读取实时时钟模块获得的日期数据，与记录的日期比较，如果日期不等，则当天的学时数据从零开始计时，同时将读到的日期保存为当前日期，已经保存的数据则前移一天。

漫反射传感器是一个集红外发射、接收于一体的传感器，可以调节感应距离，当人靠近时有低电平输出。该传感器的工作电压是12V，必须将其转换为0V和5V的信号后才能被单片机接收。

三、使用方法

打开电源开关，程序初始化，继电器工作，打开台灯，程序读入实时时钟模块的日期，比较当前保存的日期与读入的日期。如果日期不等，则当天的学时数据从零开始计时，同时将读到的日期保存为当前日期，已经记录保存的数据则前移一天。

然后程序开始循环扫描各传感器数据、按键状态，并显示相关信息。液晶屏上显示时间、当前学时时长、是否有人、坐姿是否正常等。按“设置”键进入设置模式，通过“加”“减”键、“移位”键可以调整时钟，按“确认”键保存数据。

连续按“设置”键可设置一个学时的时长，人离开，自动延长关灯的时间参数。按F6键可以查看一段时间内的学时情况。显示界面如图2所示。

四、创新点

1.做作业时，本作品通过人体红外传感器感知有人，自动记录学习时长。一天的累计学习时长将被保存在存储器内，当日期发生变化时，当天的累计学习时长重新记录。存储器可保存一定天数的记录，当记录天数满后，最早的那天的数据被覆盖，其他记录数据都向前移一天。

2.本作品通过麦克风采集声音，记录朗读时长。当人体距离台灯太近，会提示坐姿不正。人离开台灯感应区域，到达延时设定的时间后自动关灯。设定时间内人回到台灯感应区域，台灯继续工作。

3.本作品还可以实现当一次连续的学习时长到达设定的一课时，台灯通过语音提示“休息片刻”。

学习行为监测台灯能获取当次学习的开始、结束时间以及人们起身的次数。通过这些数据可以了解学生的学习习惯、学习的专注度，家长可参考相关数据，督促孩子养成良好的学习习惯。

专家点评

许文睿同学的“学习行为监测台灯”项目是一项较典型的创客作品，这对他个人的成长是很有积极意义和效果的。

这些年来就台灯的创意，特别是利用台灯来帮助学习的创意有很多。有的人看书时弯着腰，或是趴在桌子上看，这些坏习惯在我们不知不觉时就形成了，造成了现在许多人近视或脊椎侧弯;另外还有人不爱随手关灯造成能源的浪费等。因此，人们就利用台灯展开创意：一方面更节省电能，有利于环保;另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和近视，并在周围环境较暗时自动开灯等。

而2017年公开的一种具有环境质量与学习状态监测功能的LED台灯，和一种带有无线充电功能的可监控学习台灯的制作方法等发明专利，在监测与助学方面，其创意和技术层面的高度，都值得青少年创新爱好者好好学习。