传感器教学演示开发板的研制

广州市增城区职业技术学校 欧祖常

随着大众创业，万众创新的社会发展潮流，创新的科技技术应用已经进入社会的各个领域，成为我们日常生活和生产生活中比较重要的组成部分。学习电子信息技术是实现中国制造2025的需要，在学习电子信息技术的过程中，学好传感器的应用是十分重要的。在调查发现，普通中小学学校在培训学生创客创新作品的传感器教学中，一般都是老师讲解单一的传感器理论知识，然后通过买来的模块用指示灯演示效果，一旦要应用到其他领域，学生就会感到抽象和深奥，难以激发学生的学习热情和兴趣，不利于对知识的深度理解和应用，教学效果不明显。作为老师，很多时候由于没有足够的设备，生搬书本的内容，不利于教师的发展。

为了让学生在学习电子信息技术过程中，更好的掌握传感器技术，发挥传感器在人工智能中的作用，经过大量的调查和结合学生的需求，利用单片机技术，研发了“传感器教学演示开发板” 。

1 项目研发目的

1)教师使用这个演示开发板可以形象直观的讲授光电和光敏传感器、声控传感器、超声波传感器、温湿度传感器、压力传感器、霍尔传感器和气体传感器等传感器技术，展示知识的生成过程，演示开发板可以直接在课室使用，避免了学校缺少实训室或设备不能上课的情况出现。

2)学生利用这个演示板能清晰、深入浅出地体现、理解传感器技术，充满欢乐，开阔学生思路，提高学生的自学能力，学得快的学生还可以结合单片机技术编程，开发出各有特色的传感器开发板。

3)在学生学习传感器演示开发板的过程中，激发学生创新精神，提高学生对传感器应用的意识。

2 项目研究过程

2.1 设计结构框图

本项目主要由单片机控制系统、液晶显示、LED灯显示、按键选择模块、遥控模块和各个传感器模块组成。其中图1中AC表示模拟信号，DC表示数字信号。

图1 设计结构框图

2.2 设计思路

2.2.1 传感器基本演示实验

市场上买回来的的传感器模块一般都有传感器器件和运算放大电路组成，用传感器模块的DC输出到单片机，单片机控制LED灯指示，验证有传感器存在的信号。这种演示方法只能是验证传感器的信号产生了变化，但实现不了传感器信号变化的大小，特别像压力传感器、气体传感器等能看到它们的变化大小,学生的理解会更好，还有特殊的传感器像超声波传感器，必须通过单片机编程才能实现效果。

2.2.2 传感器全功能演示实验

为了解决传感器基本演示实验留下的缺陷，用传感器的AC模拟信号输出到单片机，经过单片机内部AD转换处理，再送到液晶显示模块显示。在液晶上可以清晰的看到传感器产生的变化过程。超声波传感器可以正确的显示被测距离。

2.3 硬件设计

2.3.1 单片机的选择

单片机的功能是对传感器输入的信号转换处理，需要用到AD转换器，AD转换器有两种方案，第一种是外加8位ADC0809芯片，第二种是用内部带AD转换器的单片机，为节省成本采用自带AD转换器的单片机STC15F2K60S2，STC15F2K60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,最多有42个I/O口，可以为多个传感器模块提供接口，它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。跟电子专业所开的《单片机应用技术》课程的C语言程序设计一致，可当该课程的开发板使用，单片机内部集成MAX810专用复位电路,不用再设计外部复位电路了，这样在设计时就方便很多了，省了外部复位电路，而且复位是非常可靠的,单片机自带2路PWM,可以做音乐演示实验，8路高速10位A/D转换满足传感器演示板的需要。

2.3.2 液晶显示和LED显示模块

液晶显示选用不带字库的采用芯片为KS0108的12864中文液晶，这款液晶能显示文字、数字和图形，满足用来显示各种传感器效果和参数的要求，编程通俗易懂，选用不带字库的原因是字体和图形方便编辑，在无字库12864液晶模块显示屏上显示图形或汉字时，可以利用字模提取软件获得图形或汉字的点阵代码，并且仿真软件PROTUES 对接，为编程开发带来方便，从而缩短了开发的周期。LED显示模块采用红绿蓝三种颜色的LED灯，用来显示各种传感器的工作状态。

2.3.3 按键选择结合红外遥控模块

按键采用4*4键盘，采用键盘的好处是可以节省I/O口，16个按键只需要8个I/O口，无须再外接其他电路，节省成本。4*4键盘可以作为功能键使用，更可以当做数字键使用，在需要输入数据来控制传感器时，4*4键盘可以发挥最大的用处。为了让更好的操作传感器演示板给学生观看，加入红外遥控模块，红外遥控模块采用20键38KNEC编码格式的小型遥控器，这款遥控器在市场上比较常见，解码编程也相对简单，解码部分采用通用一体化遥控红外接收头HX1838B。

2.3.4 传感器模块

1)光电、光敏传感器

光电传感器一般由一对光电开关（发射管和接收管）、LM328运算放大电路和DC输出端组成，通过调节LM328运算放大电路中的电位器可以改变光电管检测的距离。光敏传感器模块一般由光敏电阻、LM328运算放大电路和AC、DC输出端。同样通过调节LM328运算放大电路中的电位器可以改变光亮度的值，AC端输出到单片机经过AD转换可以看到光敏电阻变化过程。

2)温湿度传感器模块

市场上的温湿度传感器模块一般有两种，一种是I2C通讯的SHT20数字温湿度传感器，这种温湿度传感器体积微小、响应迅速、低能耗、可浸没、抗干扰能力强、温湿一体，兼有露点测量。采用CMOSens TM技术将温、湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内，具有比其他类型湿度传感器优越得多的性能。适合多个场合演示给学生看效果。另外一种是单总线通信的DHT11或是DHT22温湿度传感器,这类型的传感器可接入演示板的温湿度传感器专用接口。

3)超声波传感器

超声波传感器第一个功能通过演示测量距离，来学习超声波传感器的发射与接受过程；第二个功能是接入演示板测试超声波传感器性能的好坏。具体电路调试：1)演示板上接上超声波传感器并打开电源。2)用手放在超声波传感器接收管和发射管的前面，观察液晶显示。3)把手移开，再观察液晶显示。4)使用万用表，在用手挡住或把手离开的情况下，分别检测超声波传感器上集成运放的输出端的电压。5)还可以使用示波器，在用手挡住或把手离开的情况下，分别检测接收引脚的波形。

4)声控传感器

声控传感器一般由两种传感器组成，一种是压电陶瓷片和比较放大电路组成，另外一种由咪头和信号放大电路组成。这两种声控传感器同样有AC和DC输出，按光电和光敏传感器的编程方法处理即可。

5)气体传感器

本演示板可演示的气体传感器有：酒精传感器、一氧化碳传感器、煤气传感器、天然气传感器、烟雾传感器、氢气传感器、空气质量传感器。这类型的模块一般有两个输出，一个是DC输出，一个是AC输出，通过可以通过调节电位器改变气体传感器的灵敏度。编程算法按光电和光敏传感器方法处理，显示部分可以采图形形象化，气体传感器的变化更直观。

6)霍尔传感器模块

霍尔传感器模块主要是由霍尔传感器3144、LM328运算放大电路和DC输出端组成，编程算法按光电和光敏传感器方法处理。

7)压力传感器模块

称重传感器模块主要由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；通过编程把中文液晶12864和4*4矩阵键盘联系起来，组成一个电子称，在演示的时候，就更直观，学生的印象就更加深刻，达到很好的教学效果。

2.4 软件设计

1)上述用到的传感器输出有AC端的都需要用到AD转换器进行处理，下面以STC15F2K60S2单片机的P1.0作为A/D转换功能为例进行设计，如图2：

图2

2)无字库12864液晶模块的操作子程序包括以下几个部分：

a)判忙程序：每次要对液晶写命令或数据时都要等LCD空闲才可以操作。

b)命令写入子程序void wreg()

c)数据写入子程序void wdata()

d)设置显示初始页子程序void pagefirst()

e)设置显示初始列子程序void columnfirst()

f)清屏子程序void ready_12864()

g)显示16*16汉字子程序void dishz()

h)显示图像子程序void dispic()

i)初始化：写入命令0x3f开液晶显示，写入命令0xc0正常显示.

3)4*4矩阵键盘的扫描原理

软件设计流程图如图3，4*4键盘扫描方法是：P30～P33接在行线上为输出线，P34～P37接在为输入线。首先STC15单片机将行线（P30～P33）全部拉到低电平，此时由列线读入数据，如果此时列线上的电平全部为高电平则没有键按下，当有低电平出现在列线上时，调用延时程序来判断是否真的有键按键或还是抖动现象。延时完成后再判断是否有低电平，如果此时读入列线数据还是有低电平，则说明确实有键按下。最后一步确定键值。现在我们以第一行的S1键为例，若按下S1后应该怎么得到这个键值呢？当判断确实有键按下之后，行线轮流输出低电平，根据读入列线的数据可以确定键值。首先，单片机将P30～P33输出低电平，此时读取列线的数据，发现列线读到的数据有低电平，数值为1110（0x0E），如果我们此时行线的数值为1110（0x0E），再把行线和列线的十六进制的数值相加可以确定键盘的布局，那么0xEE就代表S1的值了。转到S1键功能处理子程序就可以达到目的。

图3

3 创新点

1)传感器演示开发板可以满足每位学生的需求，可以人手一台，只要接上5V电源（充电宝，手机充电器等）就可以使用，方便携带，可以在课室使用，不用过多占用实训室。可学习的传感器有：光敏、光电、气敏，温湿度传感器、霍尔传感器、压力称重传感器、超声波传感器。还配置单片机ISP下载接口，可以当做单片机开发板使用。

2)传感器演示开发板搭配多种传感器，学生学习传感器知识的同时，可以在开发板上搭建自己电路进行创新或创客设计，并将开发的创新或创客作品参加省市的青少年科技创新大赛或创客大赛。

4 结束语

通过对传感器演示开发板的研制，为理实一体化项目教学提供了很好的资源，提高了学生的动手能力，以点带线，以线促面，为其它课程的理实一体化教学研究起到了借鉴的作用。