电子积木在传感器实验设计中的应用

摘  要：文章依托进行中的项目，利用最新电子积木为“传感器原理与应用”课程搭建各种各样的实验方法，完成对各种数据的检测，增加学习趣味性，减少教学难度。开发一套适用于传感器实验课程的电子积木实验方法，既能满足论证传感器原理的需求，又能提高学生的学习兴趣，还能激发学生学习传感器原理与应用相关课程的积极性，让学生获得电子产品设计参与感，使其最大限度参与课程并激发其潜能，提高教学效果。

关键词：电子积木；实验设计；Arduino

中图分类号：TP39；G434  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0051-05

Abstract： Based on ongoing projects， this paper uses the latest electronic building blocks to build various experimental methods for the course “Sensor Principles and Applications”， complete the detection of various data， increase learning interest， and reduce teaching difficulty. Developing a set of electronic building block experimental methods suitable for sensor experimental courses can not only meet the needs of demonstrating sensor principles， but also enhance students' interest in learning. It can also stimulate students' enthusiasm for learning courses related to sensor principles and applications， enable them to gain a sense of participation in electronic product design， maximize their participation in the course， stimulate their potential， and improve teaching effectiveness.

Keywords： electronic building block; experimental design; Arduino

0  引  言

由于我校教學设施的简陋，长期从事一线教学的老师对传感器教学的实验课程是极其无奈的，从几年前在残缺的实验台上做有限的实验到后来干脆放弃了实验只上理论课，对教学效果的影响是可想而知的，由于经费比较少买不起大件的实训平台，后期就探索花最少的钱买一些数据采集卡，采用温度传感器及力类传感器实现简单的数据采集，效果都是差强人意，后来接触了电子积木，市面上出现了各种各样的电子积木，而且价格低廉，对现有教学特别有利，于是我校购买了一些电子积木来提升我们的传感器实训效果。但由于知识点特别碎片化，教师们并没有针对传感器实训设计出一套科学完备的流程，目前的教学特别需要开发一种固定流程、科学有效的实训方法，于是就有了电子积木实验项目的申请。项目的创新之处在于利用最新电子积木搭建各种各样的实验方法，完成对各种数据的检测，增加学习趣味性，减少教学难度。实现以最少资金购买传感器设备，经济成本低，完成传感器和电子产品的设计，取得良好的教学效果。

电子积木实验项目能解决教学中的以下问题：

1）能够实现以最低价格购得实训材料，并能重复利用。

2）能用最直观最简便的方式演示传感器原理和现象。

3）能形成固定的实验环节，形成科学的实验方法，供不同的老师使用。

4）能降低对学生理解能力的要求，让基础很差的学生也能上手实验并能够理解实验中所涉及的知识原理。

1  本课题实践技术

本课题的关键技术取决于单片机、传感技术和C语言，以及Arduino IDE编程技巧，各种电子积木的应用，通过使用各种电子积木搭建电路，使用Arduino IDE编程、烧录程序进入控制板，以各种各样的方式实现传感器信号的采集、显示和输出，形成一套完备的实验方法和实验步骤。本课题从电子积木工作原理入手，先研究电子积木搭建理论，再研究电子积木程序设计，最后从科学角度验证传感器原理，巩固理论知识。

Arduino的功能和特点如下：

1）Arduino灵活便捷，可跨平台，开源，简单清晰，对初学者非常友好，易于上手。它包含两个部分，分别是硬件部分Arduino电路板，如图1（a）所示，实现电路连接的功能，以及软件部分Arduino IDE编程开发工具，Arduino的IDE界面基于开放源代码，互联网上的代码可共享，可以免费下载使用，开发者可籍此开发出各种各样有趣的作品。在Arduino IDE中编写程序代码，并将编写好的程序烧录到Arduino电路板中，程序便指挥我们的传感器电子积木进行数据采集并做出相应的动作。

还可以在使用Arduino的同时结合使用一些软件，做出互动作品。Arduino也可以使用现有的电子元件，本项目中利用各种各样的电子积木，例如开关、传感器、控制器件、水泵、LED、直流小电机、步进马达或其他输出装置。

2）Arduino UNO扩展槽，如图1（b）所示，能防插反，实现傻瓜式操作，即插即用，插上电子积木，编程就能实现信号采集和控制。

3）使用LCD1602液晶显示器和OLED显示屏显示各种传感器的信号。LCD1602液晶显示屏只能显示字符型信号，采用HD44780控制器、扩展驱动电路HD44100和字符型液晶显示屏（LCD）、電阻、电容形成PCB板，然后组装成如图2（a）所示的字符显示型模块。

OLED显示屏（图2（b））有机电激发光二极管的同时具备自发光，所有不需背光源，LCD1620需要背光，因此同样的显示OLED效果显得更好一些。以目前的技术来看，OLED屏的尺寸不能做到大型化，但是分辨率却可以做到非常高。因此它将会是下一代平面显示器新兴技术。

2  设计过程

下面的1）到8）是我们使用电子积木设计的8个实验内容：

1）使用电子积木设计一套实验方法，完成力类传感器课程实验，实验详情如下：

本实验采用由两个应变片构成的电阻应变传感器感受力的存在，借助Hx711AD模块实现重量的AD转换，以电子积木的方式插在Arduino控制板的扩展端口上，再把图2中的信号显示屏电子积木插在控制器的扩展端口上，在ArduinoIDE上编程控制，就能实现对重量的测量，我们能够直观地看见数据的采集和变化过程，从而加深对电阻应变传感器的理解。图3是电阻应变传感器采集重量的连接图。

2）使用电子积木设计一套实验方法，完成电容大类传感器课程实验，实验详情如下：

声音传感器相当于一个话筒，俗称麦克风，如图4（a）所示，该传感器内置一个电容式驻极体话筒，该驻极话筒对声音敏感。当有声波时，话筒内的驻极体薄膜发生振动，从而导致电容的变化，经测量电路把微小的电容变化转化为微小电压，后续放大电路再把这个微小电压转化成0～5 V的电压，经Arduino控制板采集信号，可显示声音的振动图像，用来接收声波，通过电容量的变化来实现声音的获取。编写一段程序，当有声音时灯亮并根据声音的振动闪烁起来，无声音时灯灭，以此来验证声音的存在与否，从而实现电容传感器采集声音信号的学习。

电容式触摸开关如图4（b）所示，触摸物作为电容一个极板的存在，通过触摸物体，基于触摸面积变化来判断电容量变化过程从而学习电容传感器是怎么获取信号的。编程实现开关功能。

分别将图4中的两种传感器插在Arduino控制板的扩展板上，编写一段程序，当有声音或触摸的时候，控制LED灯的亮灭。

3）使用电子积木设计一套实验方法，完成温度传感器课程实验，实验详情如下：

热敏传感器是将温度转换成电信号的转换器件。它利用半导体的阻值随温度变化而发生变化的原理实现对温度的测量，也采用LM393比较器将温度传感器做成当温度高于预设温度时输出低电平，从而编程实现温控开关功能进行热保护。实验之前可借助万用表来测定温度不同情况下电阻的变化，得出热敏电阻的阻值随温度变化而变化的结论，然后再进行温控实验。

利用人体释放红外线使得人体红外线温度传感器产生热释电现象，传感器在检测到人体移动时，会产生一个高电位信号，编程实现检测到有人体存在时LED灯点亮。

分别将图5中的两种传感器插在Arduino控制板的扩展板上，编写一段程序，当有温度变化或有人存在的时候，控制LED灯的亮灭。实现温度信号的采集，从而实现对热电式温度传感器原理的学习。

4）使用电子积木设计一套实验方法，完成压电传感器、超声传感器课程实验，实验详情如下：

超声波是一种振动频率高于人耳能听到声音的声波，它是基于压电效应和逆压电效应工作的。当超声波的发射头通过一定频率的交变电的时候，压电材料不断伸缩，产生超声波，它的发射原理是逆压电效应；超声波遇到障碍物后会反射回来，有声压，作用在接收头的压电材料上，产生极性电荷，它的接收原理是压电效应。超声波测距原理：超声波在空气中的传播速度为340 m/s，超声波作为一种波，具有波的反射折射现象，在发射后遇到障碍物会反射回来，发射超声波和接收超声波的时间差就是超声波走过两倍距离的时间t，有了该时间就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离S，即：S=340×t/2。如此不断地周期性反复测量，就可以不断地更新移动测量的值。图6是利用超声检测来完成压电与逆压电效应验证，一个超声收发探头、一个1602液晶显示屏模块对信号进行显示，编写一段程序，实现对距离、身高、液位深度等参数的测定，也可以通过把传感器放到小车上实现避障，从而实现压电传感器原理学习。

5）使用电子积木设计一套实验方法，完成光电传感器课程实验，实验详情如下：

如图7（a）所示的光敏电阻是利用半导体电阻对光敏感原理，利用光电导效应对光进行获取的，光敏传感器主要应用于光控电子产品光自动控制领域，例如光控灯、光控玩具、照相机、光控屏等场所，本实验是利用电子积木上的LM393把光的亮度转化为数字电平信号，输入到Arduino控制板中，Arduino控制板根据信号的变化及事先编好的程序，实现控制LED灯的亮灭，也可以直接获取模拟值进行光控。

如图7（b）所示的火焰传感器的导通原理是利用光敏二极管在没有敏感光源照射时，它的反向电阻非常大，反向电流很小，当有敏感光源照射时，它的反向电流非常大，反向导通。设计人员通常使用火焰传感器来搜寻火源的存在，此类传感器对火焰很敏感。它的原理是利用红外线传感器对火焰非常敏感的特点，检测火焰的存在与否，然后利用LM393芯片把火焰的亮度转化为数字电平信号变化，输入到Arduino控制板中，Arduino控制板根据信号的变化及事先编好的程序，实现控制蜂鸣器报警。

如图8（a）所示的槽型光电开关，它是一款红外线感应光电开关，由红外线接收管和红外线发射管组成，它的原理是对射式的。当光电开关通电时，通过Arduino控制板，编程实现当侦测到有物体经过时点亮LED灯，未侦测到物体时，将灯设定为熄灭，从而实现红外发射与接收学习。

红外避障的原理就是红外测距，如8（b）所示，红外测距采用的是三角测距，当红外发光二极管按照一定角度发射的红外光束遇到障碍物时，红外光会反射回来，避障传感器检测到反射光之后根据几何三角关系，可以计算出物体距障碍物的距离D。红外避障传感器还可以作为颜色传感器来使用，当遇到不同颜色时，红外发射头发出的红外光被吸收的量不同，可以编程控制三基色灯显示七彩颜色，以此验证颜色深浅对光的吸收是不同的。

循迹传感器如8（c）所示，红外发光二极管发出的红外光遇到白色背景则被反射，接收管会接收到反射光，经LM393芯片处理后会形成电平变化；当红外光遇到黑线时则被吸收，接收管就不会接收到反射光，从而达到循迹目的。通过Arduino编程实现这些功能，从而实现学习红外光电传感器原理。

红外遥控器如图9（a）所示，每一个红外遥控器的按键都有一个十六进制的码值，通过这些生成的码值来判断按下的键位，通过遥控器发射带码的红外线信息，红外接收头收到信息后做出相应的动作。通过Arduino编程控制接收头接收遥控器发射的被编码了的红外线信号，在输出端口做出相应的动作，达到学习红外遥控的目的。

6）使用电子积木设计一套实验方法，完成湿度传感器课程实验，实验详情如下：

雨滴传感器如图10（a）所示，可用于对是否下雨的监测，当有雨滴滴落的时候，雨滴片电阻大大减小，电阻的变化可转成数字信号和模拟信号。此实验中我们采用雨滴传感器积木，利用LM393芯片把电阻的变化转成数字信号或直接使用模拟信号，输入到Arduino的控制器，Arduino的控制器根据事先设计好的程序、信号的变化实现控制LED灯的亮灭。

土壤湿度传感器如图10（b）所示，由不锈钢探针及防水探头构成，可以长期埋设于需要检测的土壤或堤坝内，可以达到检测土壤湿度的目的，我们的课程主要设计为自动浇花系统。

如图10（c）所示的水泵能使液体增压并输送液体，能将机械能转化为液体能力，使液体能量增加，可用于输送水、油等液体。

使用土壤濕度计和水泵实现自动浇花系统的设计，通过Arduino编程实现控制器通过土壤湿度传感器判断土壤的干湿程度，以此控制水泵抽水浇花。

7）使用电子积木设计一套实验方法，完成气敏传感器课程实验，实验详情如下：

气体传感器如图11所示，是一种能识别气体类别和气体浓度的传感器，其中烟雾传感器是通过检测可燃气体的浓度来实现报警的，可用于城市安防，布置在小区、学校、家庭等地方，也可以通过使用各种各样的气体传感器实现对各种气体的检测，比如使用MQ2电子积木实现对可燃气体的检测，使用MQ3电子积木实现对酒精气体分子的检测，使用MQ5电子积木实现对煤气、液化气、甲烷等气体的检测，使用MQ7电子积木实现对一氧化碳气体的检测。通过Arduino控制器实现当气体浓度过高时编程报警，达到学习烟雾传感器的目的。

8）使用电子积木设计一套实验方法，完成磁电式传感器课程实验，实验详情如下：

霍尔传感器的工作原理是霍尔效应（霍尔效应是一种磁电效应），它根据霍尔效应做成磁场传感器。磁场中的霍尔半导体片如图12（a）所示，恒定电流I从霍尔半导体片的一端A流向另一端B。在洛仑兹力的作用下，电流I的电子流在通过霍尔半导体时会向CD一侧偏移，在CD方向上产生电位差，通过测量电位差大小来判断磁场的强度。此实验中我们通过把磁力转化为电压，将图12中的电子积木插在Arduino的控制板上编程实现控制信号灯的亮灭，达到学习磁电式传感器原理的目的。

3  结  论

篇幅所限，无法一一阐述大多数电子积木传感器获取信号的过程，文中只能选取一部分典型的传感器电子积木进行叙述，在具体设计过程中还有大量的设计性实验过程没有叙述，只能是上课过程中不断探索。

参考文献：

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作者简介：许寒梅（1986—），女，汉族，云南昭通人，讲师，本科，研究方向：传感器原理与应用教学研究。