基于热释电红外传感器的教学案例设计

(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)

基于热释电红外传感器的教学案例设计

王玉香,张喜红,杨清志

(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)

鉴于传感器教学的概念化、理论化和知识与实际应用的脱离，基于热释电红外传感器，结合学生相关课程知识，设计一款智能门控系统。并将其以实训教学案例的方式融入传感器及相关课程教学中，让学生在应用与动手实训中掌握相关理论，并提升相关技能。采用形象生动的方式，完成了知识与应用的结合。经过教学实践，学生在相关知识的掌握、知识的综合运用、对问题的分析能力等方面都有很大提升。

热释电红外传感器；教学案例；智能门控； AT89C51

“医用传感器”是我院医用电子与仪器类专业很重要的一门基础课程，由于其理论性强，又往往和多学科知识相结合才能应用，所以在教学中常常局限于抽象的理论分析，很难将其与应用结合，进行直观形象的展示。而生活中传感器的应用实例其实是随处可见的。将生活中随处可见的智能门控系统结合到教学中，使传感器形象化，进而加深对其理论的理解。

智能门控系统很多，从实现的基本原理到系统模块的组成到元器件的选取都不尽相同。从教学可行性角度考虑，系统设计时尽量选取学生学过的或课程中涉及的较熟悉的芯片和模块。根据相关课程，选定单片机芯片中的AT89C51作为控制的核心，对有无人通过的信号的检测采用传感器中的热释电红外传感器，检测到的信号传输给单片机，单片机据此控制步进电机的正反转和语音模块，进而实现自动控门和语音播报的功能。将热释电红外传感器的原理及作用与实例结合，除加强学生对所学传感器知识的理解与掌握，还将培养学生对所学知识的系统理解与综合应用能力。

1 智能门控系统

1.1 总体结构设计

系统主要由单片机基本工作模块、红外检测电路、步进电机控制电路、语音控制电路等组成，结构图如图1。开始工作后,单片机就对检测电路的输出端不停的查询，如果有人要过门，检测电路就将高电平输出至单片机，单片机接收到高电平后，输出控制信号至电机，控制电机正转，电机带动门杆开启，同时语音播报欢迎词；人通过之后，电机反转，带动门杆自动关闭。

图1 系统结构图

1.2 主要模块设计

(1)单片机控制模块

鉴于所开设《单片机原理及应用技术》课程主要介绍51系列单片机，故选取51系列中的AT89C51作为控制芯片，本模块主要包含时钟电路、复位电路和电源部分，单片机是+5 V工作电压，但是系统中的隔离电路是+3.3 V工作电压,为便于操作和电路的调试，且保证电源稳定，电源直接选用现成的DC-DC模块实现电压转换，并提供多路输出。复位采用按键复位方式。

(2)语音模块

本模块采用WT558D-16语音芯片和3.3 V稳压芯片AMS1117，同时配有指示灯，当语音播报时，指示灯同步点亮。WT558D-16语音芯片功能强大、可重复擦除烧写。可以加载多达500段的语音信息，支持按键控制，串口控制等多种模式，抗干扰能力强，用单片机编写也很简单。本系统采用一线串口控制模式，电路如图2所示。芯片的第10引脚是DATA的输入引脚，单片机通过此脚发送数据来控制WT588D工作。第15引脚是忙信号的输出端，将其设置为播放状态时输出为低电平，就可以作为播放语音时的指示灯。通过3.3 V稳压芯片AMS1117实现3.3 V供电。PWM输出方式，直接接扬声器，注意PWM+和PWM-都不可短接到地或接电阻电容到地。操作时，语音芯片由老师提前烧录需要播报的内容。

图2 语音模块电路图

(3)步进电机驱动模块

如图3，本模块对步进电机驱动时，选用驱动效果较好的L298N芯片。电机就选用型号为28BYJ-48的四相八拍步进电机，供电采用单极性直流电源，要使步进电机转动，可以按一定顺序将其内部四相绕组通电。步进电机的转动角度可以很方便的设置，由此可以很好的控制门的转动角度。L298N特点是输出电流大、功率大，使用时常加散热片，对芯片散热效果好，可以保证芯片性能的稳定性。反接IN4007，保护电路，防止步进电机故障产生的高脉冲信号损坏驱动器[1]。为便于实训开展，先备4～5块L298N驱动芯片，用于辅助调试。

图3 电机驱动原理图

(4)热释电红外检测电路

热释电红外传感器利用的是热释电效应，当吸收的红外辐射使温度发生变化时，其内部的敏感元件物理参数相应变化，从而实现非电信号到电信号的转变。但其输出的电信号需要转换为电压才能使用[2]。传感器检测到人体红外线后，会将此能量转为电信号，此电信号经处理后输出，传输至单片机，进而实现开门控制，人走后，在单片机的控制下门自动关闭。为了增强传感器的探测距离和探测灵敏性，可将菲涅尔透镜安装在其前端，感应范围可在10 m以上[3]。

本模块主要由热释电红外传感器和信号处理电路组成,核心元件是热释电红外传感器,在人员识别时，传感器输出信号较弱，变化也很慢，不能直接使用，本系统利用BISS0001传感器信号的专用处理芯片对信号进行识别和状态输出[4]。

BISS0001将采集的信号在内部两级放大后，由状态比较器得出状态信号，状态信号的脉宽、输出方式、闭锁时间都可由外部电路设置。如图4所示，当1脚接地时输出方式是不可重复，在输出状态信号时不采集信号；1脚为高电平时输出方式是可重复，对信号实时采集并输出。可由RC回路，对信号脉宽和不识别时间进行设置，避免信号抖动[5]。

图4 热释电红外传感器信号处理电路

根据本系统特点，设置BISS0001状态信号输出脉宽5 μs，方式选不可重复方式，2 μs停止识别时间，则R8=1 KΩ、C7=0.1 μF、R9=1.7 KΩ、C6=4.7 μF。本模块可输出高3.3 V/低0 V的电平，在与单片机相接时不能实现信号的有效识别，故通过隔离器使输出信号接入单片机，具体如图5。

有人时，红外检测电路输出3.3 V，红外发光二极管截止，光敏三极管截止，输出端输出高电平至单片机P2.0，没人时，红外检测电路输出0 V，红外发光二极管导通，光敏三极管导通，输出端输出低电平至单片机P2.0，由此实现了对信号的隔离传输和驱动，进而保证了单片机对信号的正确识别。为便于实训开展，先准备4～5块热释电红外检测模块，用于辅助调试。

图5 光电隔离器电路

1.3 智能门控系统软件实现

主程序流程图如6：在电机转动角度设计时，要实现开门动作，需要转动90度。这里用单四拍的工作方式，提供一个脉冲，可使电机内部转子转动一次，转动角度达到11.25度，一共四拍，则共转动45度。主轴旋转角度D=N*45/减速比,改变N值可改变转动角度，本系统所需角度为90度，减速比1∶64，故N=128。

图6 程序流程图

2 教学设计与实施

本教学案例可以安排在学生学完《C语言》《模拟/数字电子技术》《单片机原理及应用》《医用传感器》等课程后，或者在学习《单片机原理及应用》或《医用传感器》课程过程中，作为实训内容进行教学。可采用专周实训，实施时对学生进行分组，以小组的方式完成[6]。内容安排及教学过程如表1。

表1 案例内容分解及实施

续表1

教学过程教学内容活动设计活动要求及具体操作知识与能力培养任务总结对所做系统进行介绍及功能演示展示、自评、互评小组展示、介绍并总结自己的设计，展示完后，各组对设计进行自评和互评。文献查阅、团队合作、知识总结、语言表达交流、讨论老师引导、组间交流、讨论设计的难点，实现时遇到的问题及解决思路方法等。知识总结、团队协作与沟通课下延伸作业学生整理任务实现过程、程序等知识总结、团队协作与沟通注：具体实施时可根据课程特点，对相关知识有所侧重。

3 教学效果

鉴于传感器教学的抽象化、理论化，设计了本案例，通过对采用本案例教学的50名学生的访谈及问卷调查，具体情况总结如表2。

表2 案例教学效果情况

由实施效果可见，该案例在对学生相关知识和能力的培养方面效果较好。实现了对理论知识的形象化教学，也帮助学生实现了知识与能力的融合及知识的综合应用。

4 总结

关于传感器不管是教还是学，一直都是难点。传感器知识本身难度大，且应用时又往往涉及到多学科知识，所以教学时反而很难掌控。因此，目前传感器主要以理论教学为主，学生掌握有难度，也很难和实际应用结合，且不符合职业教育对学生能力培养的要求。选取生活中非常熟悉的实例——门控系统，结合传感器、单片机、电机、语音播报相关知识，设计了智能门控系统，将其涉及的知识按功能模块分解，以实训案例的方法融入到有关课程教学之中。可根据课程内容，对相关模块知识进行偏重，既保证了课程教学的特点，又将课程内容结合了应用，由此实现了理论与应用的结合，形象化了相关知识。通过教学实践，也体现了其优越性，对学生的兴趣、知识、能力方面都有一定提升。教学中，要求老师具有一定的全局掌控能力，不管是相关知识、技能还是教学过程的实施都要很好掌握。

[1] 严平锋,凌志浩,蒋炜.步进电机的控制与检测系统的设计与实现[J].自动化仪表，2014(4):38-42.

[2] 吕璠.热释电红外报警器的设计[J].廊坊师范学院学报(自然科学版)，2009(3):62-64.

[3] 胡伟生,方佩敏.热释电红外探测元器件费涅耳透镜[J].电子世界，2004(10):47-48.

[4] 宋保业.基于BISS0001的热释电红外开关[J].电子元器件应用，2007(7):1-3.

[5] 王曦,魏卓.一种远程红外智能照明控制系统的设计[J].河南师范大学学报(自然科学版)，2016(5):169-174.

[6] 王玉香,章晓忠.翻转课堂在高职实验实训教学中的应用研究——以“单片机”实验课程为例[J].乐山师范学院，2015(4):111-114.

The Teaching Case Design is Based on Pyroelectric Infrared Sensor

WANG Yuxiang ,ZHANG Xihong,YANG Qingzhi

(Bozhou Vocational and Technical College,Bozhou Anhui 236800,China)

Given the difficulty of the sensor teaching and no combined with application,based on the pyroelectric infrared sensor,combining students' knowledge of related courses,and design a intelligent door control system. As sensors and related courses teaching case,in practice,let students grasp the theory and improve skills.With the help of vivid way,to realize the combination of knowledge and application. Through teaching practice,students to master relevant knowledge,comprehensive ability to apply the knowledge,ability to analyze the problem and so on have very big improvement.

pyroelectric infrared sensor;the teaching cases;intelligent door control;AT89C51

2017-04-05

亳州职业技术学院院级教学研究项目(2015bzjyxm01)；安徽省教育厅重点教研项目(2015jyxm535)

王玉香(1983-)，女，安徽蚌埠人，讲师/技师，硕士，研究方向为教学改革、信息处理及传输。E-mail:wyxx_198@163.com

G712

A

1004-2237(2017)06-0045-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.06.011