時間：2022-12-16 05:44:08
導語：在傳感器設計論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領您探索更多的創(chuàng)作可能。
關鍵詞：加速度差容式力平衡傳感器
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領域中進行沖擊、振動測量常用的測試儀器。
1、加速度傳感器原理概述
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結(jié)構(gòu)，它優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應好，能實現(xiàn)無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。
差容式力平衡加速度傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。
2、變間隙電容的基本工作原理
如式2－1所示是以空氣為介質(zhì)，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是、A、的函數(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當被測運動物體作上、下位移（即變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據(jù)輸出信號的大小，即可測定物移的大小，若把這種變化應用到電容式差容式力平衡傳感器中，當有加速度信號時，就會引起電容變化C，然后轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，根據(jù)此電壓信號即可計算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離是成反比的雙曲線關系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內(nèi)變化，而是限制在一個較小的范圍內(nèi)，以使與C的關系近似于線性。
它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應減少起始間隙,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。
由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結(jié)構(gòu)，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：
可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。
3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結(jié)構(gòu)
3.1工作原理
如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖
電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負電壓調(diào)節(jié)器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。
3.2差容式力平衡傳感器機械結(jié)構(gòu)原理
由于差動式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應線圈，彈簧片，作電容中間極的質(zhì)量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，并在此質(zhì)量塊上、下兩側(cè)面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質(zhì)量塊的上側(cè)面形成電容C1，下底板與質(zhì)量塊下側(cè)面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內(nèi)振動。由相應芯片輸出的方波信號，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經(jīng)一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。
當沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，C＝0后續(xù)電路沒有輸出；當有加速度信號時，中間極板（質(zhì)量塊）將偏離中間位置，產(chǎn)生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設加速度為正時，質(zhì)量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產(chǎn)生一個電容的變化量C，C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網(wǎng)絡。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當有電流流過線圈時，將產(chǎn)生感應磁場，就會有電磁力產(chǎn)生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到?jīng)]有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產(chǎn)生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當于在C的放大電路中引入了負反饋，這樣，使傳感器的測量范圍大大提高。因此，對于任何加速度值，只要檢測到合成電容變化量C，便能使活動極板在兩固定極板之間對應一個合適的位置，此時后續(xù)電路便輸出一個與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計算出加速度的大小。
4、力平衡傳感器實際應用
哈爾濱北奧振動技術(shù)是專門從事振動信號測量的專業(yè)公司，它們應用這種差容式力平衡原理開發(fā)出的力平衡加速度傳感器實現(xiàn)的主要性能指標如下：
測量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g
靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差動輸出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）
頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）
絕對精度：±3％FS
交叉干擾：小于0.3%
線性度：優(yōu)于1%
噪聲：小于10μV
動態(tài)范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
電源：±12V-±[email protected]
【關鍵詞】AGV 磁引導 PWM調(diào)速 8052單片機
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展，自動導引小車（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了廣泛的應用。AGV以電池為動力，并裝有非接觸導航（導引）裝置，以電磁引導、激光引導、慣性引導及GPS引導等方式。可實現(xiàn)無人駕駛的運輸作業(yè)。它能在計算機監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確地行走并停靠到指定地點，完成一系列作業(yè)。
AGV以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢。AGV的活動區(qū)域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。在自動化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動性和柔性，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、靈活的無人化生產(chǎn)。
一、AGV導航系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設計
本論文設計了磁帶引導AGV，完成尋跡、蔽障、PWM調(diào)速、人工控制等功能，為大量生產(chǎn)工業(yè)型AGV提供較好的研究基礎。系統(tǒng)模塊設計如圖1所示：
圖1
本論文主要對AGV的硬件系統(tǒng)進行設計，重點研究磁引導AGV的磁尋跡感器模塊軟硬件模塊、速度反饋模塊的設計。
二、磁尋跡傳感模塊設計
磁尋跡傳感器是AGV能否完成磁帶尋跡功能的關鍵，為了檢測到弱磁磁場的存在，要選用靈敏度更高的傳感器。本設計采用磁阻傳感器，可以測量到弱磁磁場的存在。由于磁阻傳感器輸出為模擬量輸出，需要通過響應的A/D轉(zhuǎn)換電路將信號輸入單片機。模塊設計如圖2所示。
圖2 磁尋跡傳感器硬件實現(xiàn)電路
三、速度反饋模塊設計
本論文AGV采用雙輪差速驅(qū)動方式，當電機負載增加時，電機的運行速度下降，一般額定轉(zhuǎn)速降落達3%～10%，為了使兩電機同速，必須要有反饋換環(huán)節(jié)對電機的速度進行反饋。只有組成了閉環(huán)系統(tǒng)，AGV的運動與速度才可控。碼盤接口硬件電路如圖3所示。兩編碼器的A和B兩相信號經(jīng)過74LS14施密特整形，分別接到單片機的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。單片機對INT1和INT0的中斷次數(shù)計數(shù)來測量通道B的脈沖數(shù)，讀取P1.2的電平狀態(tài)來判斷電機的轉(zhuǎn)動方向。以上升沿觸發(fā)為例，當B路信號的上升沿引起中斷時，單片機判斷P2.2或P2.3信號的電平高低。若其為低，則電機正傳；為高，則電機反轉(zhuǎn)。電機的速度即為一個采樣周期中N值的變化量。電機的轉(zhuǎn)速為，式中，C為標度變化系數(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)速的量綱來選擇，N為一個采樣周期中的計數(shù)值，它的符號反應電機的轉(zhuǎn)動方向。硬件實現(xiàn)電路如圖3所示。
圖3 光電編碼器實現(xiàn)電路圖
四、總結(jié)
本系統(tǒng)采用PWM調(diào)速及雙輪差速控制，使車輛依照車載傳感器確定的位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和停靠位置，自動行駛，完成規(guī)定的操作。論文對關鍵模塊的設計進行了詳細設計，經(jīng)驗證該系統(tǒng)設計可靠合理，能實現(xiàn)系統(tǒng)設計的基本功能。
參考文獻：
[1] 溫鋼云，黃道平. 計算機控制技術(shù)[M]. 華南理工大學出版社，2002.
[2] hard C.Dorf Robert H.Bishop. 現(xiàn)代控制系統(tǒng)[M].高等教育出版社，2006.
關鍵詞：放大電路 信號調(diào)理 噪聲控制
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）05-0000-00
1 引言
壓力傳感器在電子產(chǎn)品中的應用比較廣泛，其信號調(diào)理電路通過對信號的調(diào)節(jié)變換，使信號達到后續(xù)電路的接收要求。電路的誤差控制、抗干擾技術(shù)對電路的設計至關重要，電路的穩(wěn)定性直接關系到單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準確性和產(chǎn)品的實用性。
本論文的信號調(diào)理電路主要用于電子稱等衡器的前端信號處理，量程0―5Kg，其最大允許誤差±1.5e（分度值e=2g）。本論文從誤差分析，力傳感器的選定和放大電路的設計三個方面闡述該電路設計思路。
2硬件設計中誤差解決方法
降低電路元器件產(chǎn)生的噪聲、設置穩(wěn)壓電流源作傳感器專用電源，可保證傳感器輸出信號精度高，紋波小，穩(wěn)定可靠，選擇合適的傳感器。
由于組成電路的元件內(nèi)部會產(chǎn)生一些噪聲，并且實驗中發(fā)現(xiàn)，噪聲的功率與輸入的電壓有直接的關系，而且會對實驗的參數(shù)產(chǎn)生較大的影響。在試驗中對電阻等噪聲較大的原件通過元件的噪聲參數(shù)建立模型來進行系統(tǒng)分析。綜合考慮成本及噪聲性能，選擇噪聲較小的NE5532放大器電路，其相對噪聲比優(yōu)于同等價格的其他運算放大器。
傳感器采用了N430-5kg應變式壓力傳感器，量程0～5kg，靈敏度為1.0mV/N，體積小，易攜帶；額定輸出1.0±0.15mV/V，能夠滿足實驗精度要求；并能夠使產(chǎn)品具有便攜性，力傳感器后接電橋的以減少溫漂，即電橋壓力傳感器的電橋電阻設為R1=R2=R3=R4=100Ω，差動工作，應變片使得電橋保持了平衡，使得電橋的輸出電壓與電阻變化有關，保持了一個即R1=R-R，R2=R+R，R3=R-R，R4=R+R，則電橋輸出為
3放大電路的分析與設計
整體電路設計如圖3-1所示，包含兩級放大電路，通過反饋設計提高了輸出的準確性。第一級放大電路采用雙運算放大器，此放大器小信號帶寬10MHZ，功率帶寬140KHZ，轉(zhuǎn)換速率9V/us，符合一般控制電路的設計要求。第二級放大電路采用二階低通濾波運算放大電路。
通過使用Multisim 12.0仿真軟件中的函數(shù)發(fā)生器模擬在f0=10Hz下的濾波波形，其通帶最大衰減為4.165518dB，阻帶最大衰減為14.403186dB，其中R9和R11=R10//R12，由R12來確定放大倍數(shù)，算得Q=0.5，滿足實驗設計要求。
由于在 Multisim12.0仿真軟件中，沒有直接的電荷源信號，考慮到電阻應變式傳感器輸出為電壓信號，改變傳感器的應變重量，在形式上是以電壓的形式輸出的。在電路分析時可以把傳感器看作一個電壓源，其輸出電壓在其電電路中將信號傳遞給放大電路。所以在模擬仿真中，采用了TL431ACD 保證模擬信號輸入端的穩(wěn)定性。
4 軟件設計中的誤差補償
采用延遲法進行誤差補償，在系統(tǒng)中， 存在控制開關的抖動干擾。抑制這種噪聲方法就是通過延時， 讓接通或斷開信號穩(wěn)定后系統(tǒng)再工作， 就可以避免抖動干擾。
5 結(jié)語
本設計的放大電路的帶寬在890mHZ～123HZ，測得輸入為2.756mv時，輸出為217.177mv，放大倍數(shù)約100倍。整體上對各種誤差來源給以充分的估計，并針對不同的情況采取不同的技術(shù)措施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的準確、可靠。
參考文獻
[1]莊嚴.《電子秤與智能儀器的設計》.儀表技術(shù)，2002.2.
[2]劉同娟，馬向國.《Multisim在電力電子電路仿真中的應-用》.電力電子，2006.2.
[3]殷鑄靈，許良軍.《小信號放大電路的噪聲分析》.機電元件，2011.12.
關鍵詞 功能納米材料； 生物傳感器； 評述
1 引 言
生物傳感器（Biosensors）是一門集化學、生物學、醫(yī)學、物理學、電子技術(shù)等諸多學科于一身的交叉學科[1]。近年來， 隨著納米技術(shù)（Nanotechnology）和功能納米材料（Functional nano-materials）的迅速發(fā)展， 生物傳感器的性能已提高到一個新的水平[2]。基于功能納米材料的生物傳感器呈現(xiàn)出體積更小、檢測速度更快、靈敏度更高和可靠性更好等優(yōu)異性能， 在臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析、環(huán)境監(jiān)測以及生物技術(shù)、生物芯片等諸多領域有著十分廣闊的應用前景[3，4]。 因此， 21世紀的第一個十年被稱之為“傳感的十載” [5]。在這10年中， 該領域的發(fā)展非常迅猛， 平均每年約有2000篇相關論文在國際雜志發(fā)表， 2011年度在國際雜志刊載發(fā)表的相關論文已超過3000篇，其中包括Nature Communications， Journal of the American Chemical Society， Analytical Chemistry， Angewndte Chemie International Edition， Chemistry-A Europe Journal等知名期刊。國內(nèi)相關領域的研究緊跟國際發(fā)展的步伐， 取得了較好的研究成果， 2011年度國內(nèi)期刊刊載相關論文60余篇， 其中在《分析化學》和《中國科學：化學》（中英、文版）上近40篇， 在很大程度上推動了國內(nèi)生命分析學科的發(fā)展。
2 基于功能納米材料的生物傳感器的研究現(xiàn)狀
不同納米結(jié)構(gòu)材料的生物功能化是生物傳感器研究的主要亮點和重點[6]。國內(nèi)在該領域的研究發(fā)展也十分迅速， 在2011年度中國期刊刊載發(fā)表基于功能納米材料的生物傳感器的論文中， 納米材料結(jié)構(gòu)涉及二維納米膜[7～18]、一維納米管[19～31]和零維納米粒子[32～46]， 其中研究工作以零維納米粒子和二維納米膜居多；分析對象廣泛， 包括DNA、大腸桿菌內(nèi)毒素、癌胚抗原、氨基酸、葡萄糖、酶、唾液分泌性免疫球蛋白 A、IgG、細胞＼， 基因、谷胱甘肽、過氧化氫等；傳感器類型有電化學傳感器、表面等離子共振（SPR）傳感器、石英晶體微天平（QCM）傳感器和光學傳感器， 其中多數(shù)為電化學傳感器， 在其它類型傳感器方面的探索研究還有待進一步加強。
2.1 二維納米膜
二維納米材料中最具代表性的是納米超薄膜。國內(nèi)研究利用不同的制備技術(shù)（如自組裝、電化學聚合及滴涂法），制得不同的納米超薄膜，建立各種生物傳感器。如Zhang等[7]通過靜電組裝的方式將雙鏈 DNA 膜組裝到納米 SnO2半導體電極上， 然后使用一種DNA雙鏈嵌入劑， 即Ru（bpy）2（dppz）2+作為光電信號分子， 根據(jù)電極的光電信號的變化， 研究光電傳感器中納米材料對DNA的損傷， 為納米材料的毒理學研究奠定了理論基礎。劉艷等[9]利用陽離子型聚合物聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和功能化的帶負電荷的多壁碳納米管（MWCNTs）及石墨烯（GR）之間的靜電吸附， 通過層層自組裝的方法在GCE的表面制備了均一、穩(wěn)定的（PDDA/GR/PDDA/MWNTs）5 多層膜。由于GR和MWCNTs均具有良好的導電性能， 可以提高H2O2的氧化反應中電子傳遞的能力。該電極對H2O2的氧化顯示出較好的電催化活性， 對H2O2響應靈敏度高， 檢測范圍寬。在此基礎上可進一步對膜進行修飾， 如對生物分子的固定， 有望研制出靈敏度更高， 抗干擾性更好的生物傳感器。
電化學聚合法在二維膜的制備中因其簡單、快速的特性得到廣泛應用。張志軍等[10]以電化學聚合苯胺（ANI）/鄰氨基苯甲酸（OAA）， 制得在中性溶液中具有導電性的聚（苯胺-鄰氨基苯甲酸）（PAOAA）共聚物膜， 隨后負載Cu2+通過配位作用固定過氧化氫酶， 實現(xiàn)了蛋白的有效固定， 并保留了蛋白質(zhì)的活性， 為傳感器表面生物分子的有效固定提供了新途徑。張玉雪等[11]利用循環(huán)伏安法將新蒸單體吡咯和羧基化WMCNTs聚合到電極表面， 通過生物素-親和素體系固定探針， 制備了一種電化學DNA 生物傳感器， 成功實現(xiàn)了對沙門氏菌毒力基因invA 的特異性基因片段的快速檢測， 在食品與環(huán)境安全、臨床基因診斷、藥物篩選分析等領域有很廣泛的應用前景。Zhang等[12]在玻碳電極（GCE）表面電聚合了一層鄰氨基苯甲酸， 通過共價方法將抗-CEA（Ab1）捕獲在聚合物膜表面。固定有Ab1的電極和結(jié)合有堿基磷酸酶標記的抗-CEA（Ab1）的金納米粒子（AuNPs）復合物， 實現(xiàn)了對CEA的雙催化信號放大的夾層檢測法， 分析靈敏度提高了近百倍， 實現(xiàn)了CEA的高靈敏度電化學檢測。
滴涂法也是二維膜材料制備過程中常見的方法之一。汪紅梅等[15]依據(jù)慢性粒細胞白血病BCR/ABL融合基因的堿基序列， 設計了一種新型發(fā)夾結(jié)構(gòu)鎖核酸（LNA） 探針， 將該探針滴涂在金電極表面形成一超薄LNA探針膜層， 對慢性粒細胞白血病基因片段表現(xiàn)出良好的電化學響應信號， 有望在臨床慢性粒細胞白血病基因的早起診斷中得到應用。
在2011年度國內(nèi)基于二維功能納米膜作為分子識別元件在生物傳感器中的應用的研究工作中， 二維納米膜的制備方法多以電聚合和滴涂法為主， 只有很少一部分工作使用自組裝的方法制備二維納米膜。然而， 自組裝是目前制造納米材料最方便、最普遍的途徑之一， 特別對于制造結(jié)構(gòu)規(guī)則的功能納米材料， 自組裝已經(jīng)顯示出獨一無二的優(yōu)越性。因此， 今后應加強研究自組裝功能納米材料在生物傳感器領域中的應用研究。
2.2 一維納米線、納米棒和納米管
論文關鍵詞：運用,傳感器,探究,物體,速度
“探究功與物體速度變化的關系”一節(jié)引入的目的在于增加學生探究與動手的機會，讓學生學會觀察，大膽猜想，為下一節(jié)動能和動能定理的推導奠定基礎。通過本節(jié)內(nèi)容的教學，也可以促使學生在學習動能定理后比較深刻地認識到動能定理。為了實現(xiàn)探究的目標和教學的持續(xù)，筆者設計了如圖的實驗裝置，數(shù)據(jù)理想，操作簡單。
一、探究原理
利用單擺模型、計算機和力傳感器可以比較精確地測量作用在掛鉤上的力，通過計算機得到掛鉤所受的拉力隨時間的變化圖像，運用圖像探究。
利用單擺模型，小鐵塊在來回擺動過程只有重力做功，大小為-，
當運動到最低點的向心力公式：，得到
通過力傳感器采集的F-t的圖像研究，發(fā)現(xiàn)力隨時間按波形變化，有最小和最大值，其中最小值位置在擺動的最高點,得重力做功為
最大值位置在擺動的最低點得
【關鍵詞】TinyOS；傳感器網(wǎng)絡節(jié)點；msp430；無線數(shù)傳電臺
Design of WSN Node on TinyOS Platform
Li Yuan-chao Gao Xiao-ding
（College of mechanical and electrical，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）
Abstract：The general rules and methods of building wireless sensor network（WSN）node are analyzed from aspects of hardware and software.The wireless sensor network has been built with the msp430 MCU and wireless digital radio.And the software of wireless sensor network has been developed on the tinyOS which is developed by the California Berkeley College for WSN field.
Keywords：TinyOS；WSN node；msp430；wireless digital radio
1.引言
無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是傳感器和無線通訊以及電子等技術(shù)的結(jié)合，起初是用于解決因監(jiān)測區(qū)域范圍過大、監(jiān)測節(jié)點過多或者環(huán)境太惡劣等的地方。隨著該技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今其已被應用于很多領域，不論是在環(huán)境的監(jiān)測和保護方面，還在精細農(nóng)業(yè)、醫(yī)療護理，甚至在軍事領域以及目標方面都有很大的應用。如圖1所示為以無線數(shù)傳電臺為傳輸媒介的傳感器網(wǎng)絡組成形式：監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，通過無線數(shù)傳電臺傳送至匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心（計算機）進行數(shù)據(jù)的處理，其中傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵部分。本文設計的傳感器節(jié)點是在msp430控制芯片上移植TinyOS操作系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。
2.無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)設計
無線傳感器節(jié)點包括固定節(jié)點（錨點）和移動節(jié)點。固定節(jié)點便是位置固定的節(jié)點，其在整個無線傳感器網(wǎng)絡中的作用十分重要，移動節(jié)點或者其他新增節(jié)點可以通過固定節(jié)點對自己進行定位，而起移動節(jié)點的信息傳遞也要借助于固定的轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)監(jiān)測對象的運動狀態(tài)，整個網(wǎng)絡中的節(jié)點可以都是固定節(jié)點，也可以是移動節(jié)點。
本文所設計的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)是對某個地區(qū)的溫濕度進行監(jiān)測，所有節(jié)點都設計為固定節(jié)點；每個無線傳感器節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.無線傳感器節(jié)點硬件設計
該傳感器節(jié)點的硬件部分由msp430單片機模塊、溫濕度傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊和RS232通訊模塊等組成，其中RS232模塊是主節(jié)點獨有的，它主要是用于主節(jié)點與PC通訊用的。
單片機模塊主要是對采集的信息的處理。設計采用的TI的msp430f169芯片，該芯片是16位自帶AD轉(zhuǎn)換的低功耗芯片，選用該芯片簡化了電路，也一定程度上減少了能耗，延長了該節(jié)點數(shù)據(jù)采集時間。msp430f169單片機的最小系統(tǒng)如圖3所示。
本設計選擇數(shù)字溫度傳感器，傳感器將檢測的信息直接送到單片機的IO口，由單片機處理后進行上傳。其電路連接情況如圖4所示。
本設計采用雙電源供電模式：單片機模塊由三塊1.2v的干電池供電，這樣就能保證msp430和溫濕度傳感器都在正常工作電壓以內(nèi)。無線數(shù)傳模塊單獨供電，因為無線傳輸非常消耗電量。
4.無線傳感器節(jié)點軟件設計
節(jié)點的軟件設計設計實際上就是對TinyOS系統(tǒng)的修改和移植。TinyOS采用了組件的結(jié)構(gòu)，它是一個基于事件的系統(tǒng).其設計的主要目標是代碼量小、耗能少、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應不同的應用.完整的系統(tǒng)由一個調(diào)度器和一些組件組成，應用程序與組件一起編譯成系統(tǒng).組件由下到上可分為硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件，高層組件向底層組件發(fā)出命令，底層組件向高層組件報告事件.調(diào)度器具有兩層結(jié)構(gòu)，第一層維護著命令和事件，它主要是在硬件中斷發(fā)生時對組件的狀態(tài)進行處理；第二層維護著任務（負責各種計算），只有當組件狀態(tài)維護工作完成后，任務才能被調(diào)度.TinyOS的組件層次結(jié)構(gòu)就如同一個網(wǎng)絡協(xié)議棧，底層的組件負責接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些位數(shù)據(jù)進行編碼、解碼，更高層的組件則負責數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù).TinyOS體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
TinyOS無法直接在windows上進行裁剪和修改，本設計使用的方法是在windows上安裝一個類linux系統(tǒng)的cygwin系統(tǒng)，并以此為平臺安裝TinyOS、nesC編輯器以及msp430 tools。通過這種方法解決了系統(tǒng)平臺的搭建。
TinyOS的層次化思想就是把把組成系統(tǒng)的所有構(gòu)件按照某種標準劃分成層次，以分層的形式來組織系統(tǒng)。上層對下層通過構(gòu)件接口進行命令調(diào)用，下層對上層通過構(gòu)件接口進行事件通知。從上到下劃分成應用層、管理層、硬件抽象層。
本節(jié)點的設計主要對通訊類模塊、傳感類模塊和控制類模塊進行編程，其他的一些則是根據(jù)需要對TinyOS系統(tǒng)進行裁剪。
5.結(jié)束語
本論文對無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的相關知識進行了簡單介紹，提出了一套完整的以msp430f169控制器和無線數(shù)傳電臺為基礎構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點硬件平臺的方案，構(gòu)建了一個全新的無線傳器網(wǎng)絡硬件平臺。對當前無線傳感器網(wǎng)絡領域流行的嵌入式系統(tǒng)TinyOS請進了概括的分析，并在新搭建的硬件平臺上以TinyOS為基礎設計了各硬件的驅(qū)動。系統(tǒng)設計完成后，通過10個該節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡對10個房間的溫濕度變化進行了監(jiān)測，其結(jié)果與實際溫濕度變化相同，驗證了整個節(jié)點軟硬件系統(tǒng)的準據(jù)和可靠。
參考文獻
[1]孫利民，李建中，等.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社，2005.407-409.
[2]李響.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS的研究與移植[D].西安：西安電子科技大學，2008.
[3]劉振宇.無線傳感器網(wǎng)絡專用微處理器設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2007.
[4]錢開國，桑楠.基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)移植性研究與實現(xiàn)[A].第二屆全國通信新理論與新技術(shù)學術(shù)大會會議論文集[C].
[5]王大喜.無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理協(xié)議及關鍵技術(shù)研究[D].杭州電子科技大學，2010.
[6]王洪通，金淑梅，王忠.基于WSN的公路監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].通信技術(shù)，2010（06）.
結(jié)合鐵路基礎設施健康監(jiān)測的特點，從硬件和軟件兩個方面設計數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；首先，分析振動傳感器的選用原則和輸出信號的特點，在此基礎上進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計；然后，提出利用軟件進行數(shù)據(jù)采集的模擬，詳細論述各個模擬模塊的建立過程；最后利用所屬方法建立用于鐵路基礎設施檢測的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立為鐵路基礎設施監(jiān)測理論研究提供了方法，為同類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計提供參考。
關鍵詞：
鐵路基礎設施；監(jiān)測；振動傳感器；數(shù)據(jù)采集
0.引言
進入21世紀以來，我國鐵路建設發(fā)展迅猛，取得了良好的經(jīng)濟與社會效益。隨著鐵路運輸速度的迅速提升，再加上其相對方便舒適的環(huán)境和價格上的優(yōu)勢，勢必能吸引越來越多的人選擇鐵路作為他們旅行的交通工具，然而，伴隨著鐵路運輸?shù)娘w速發(fā)展給人們帶來的交通上的快捷與方便，車體與鐵軌的振動故障對公共財產(chǎn)及人身安全構(gòu)成了前所未有的威脅。伴隨著我國鐵路立體跨越式的迅猛發(fā)展，輪軌間激擾力與激擾頻率隨著車輛行駛速度的不斷提高，逐漸增大，變寬，結(jié)果會造成電機等吊掛設備和車內(nèi)設備的高頻高幅振動，引起車體設備振動能量的急速加劇。如果超過了鐵路各設備所允許的振動強度范圍，未來的工作性能指標及使用壽命將會受到過大的動態(tài)載荷和噪聲的嚴重影響，情況越發(fā)嚴重會導致零部件的早期失效。當前大量事實表明，在長期作用的情況下，鐵路振動故障可能會導致貨物破損，軌道破壞，列車脫軌等危險情況。為確保鐵路“安全、經(jīng)濟、快捷、舒適”的特點和優(yōu)勢，鐵路建設要不斷發(fā)展完善其各項功能，才能在越發(fā)激烈的市場競爭中取得優(yōu)勢，因此，各國都加強了對鐵路振動的檢測及分析，也增加了對其的投入力度。今年我國對鐵路振動檢測領域的人力物力投入有明顯增加，并且研究范圍擴展到眾多方面。以往鐵路振動檢測系統(tǒng)只配備在一些重要單位或者要害部門，而在2000年以后，各個鐵路站段及各個振動檢測站點基本都已經(jīng)涉及發(fā)展應用到。鐵路振動檢測系統(tǒng)的重要性越來越被人們所認可，近些年又不斷完善各項相應的標準和規(guī)范。為了保證鐵路的運輸安全、高效舒適的科學發(fā)展及以人為本的發(fā)展要求，確保鐵路的優(yōu)勢和特點，如何準確檢測高速鐵路的振動并判斷故障是擺在鐵路工作者面前不容緩的實際問題。
1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案
本論文用于鐵路基礎設施監(jiān)測的振動傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由下位機系統(tǒng)和上位機節(jié)點兩個大的部分組成。系統(tǒng)設計方案的結(jié)構(gòu)框圖下位機系統(tǒng)里包含了振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、IIC實時數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊和電源模塊五個單元。振動傳感器把接收到的振動信號數(shù)字化，通過IIC數(shù)字傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器STM32F103ZET6。微處理器作為控制單元，用于接收振動傳感器數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理分析計算，通過RS-232串口通信，運用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片及CH340RS-232串口轉(zhuǎn)USB芯片，實現(xiàn)了XYZ三軸振動數(shù)值發(fā)送到上位機進行控制顯示。因為目前個人電腦上已很少有串口，所以我們使用RS-232串口轉(zhuǎn)USB口芯片CH340G，數(shù)據(jù)可以從USB口進入PC上位機。由于每一個節(jié)點的檢測范圍有限，使用多個這樣的節(jié)點共同檢測則可以擴大系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，提高系統(tǒng)的整體工作性能。整個鐵路振動檢測系統(tǒng)是由多個下位機節(jié)點互相協(xié)作共同完成系統(tǒng)功能的。
2.系統(tǒng)硬件設計
2.1系統(tǒng)硬件設計思想
本論文的鐵路振動檢測系統(tǒng)是由振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，IIC實時數(shù)據(jù)傳輸模塊，微處理器模塊以及RS-232有線通信模塊和電源模塊組成。振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊對鐵路振動的振動數(shù)據(jù)信號進行實時采集，將采集到的數(shù)據(jù)數(shù)字化，并通過IIC實時數(shù)據(jù)傳輸方式與單片機處理器通信，接著單片機處理器模塊將采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理分析，通過有線通信模塊上傳到上位機進行實時顯示及存儲，為鐵路振動故障的判斷提供合理依據(jù)。微處理器中有數(shù)據(jù)處理分析算法的設計，完成對采集到的實時振動信號進行數(shù)據(jù)處理分析，判斷當前得到的振動數(shù)據(jù)是否在鐵路設備所能產(chǎn)生的振動范圍之內(nèi)并對數(shù)據(jù)進行干擾點剔除，去直流及多項式趨勢項和平滑處理，計算出與自然坐標系夾角的角度，使整個鐵路振動檢測系統(tǒng)的性能與數(shù)據(jù)準確性得到大幅度提高，很大程度上降低了系統(tǒng)的錯誤上報率。
2.2系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)硬件部分可以分為五個部分：振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、IIC實時數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊、RS-232有線通信模塊和電源模塊。數(shù)據(jù)采集模塊：由單片機處理器模塊發(fā)出相應的控制指令配置振動傳感器的控制寄存器，內(nèi)部控制寄存器來決定信號的采集速度、通信方式、數(shù)據(jù)輸出格式與帶寬，振動傳感器根據(jù)內(nèi)部控制寄存器的值按要求采集振動信號。實時數(shù)據(jù)傳輸模塊：振動傳感器采集的實時數(shù)據(jù)通過IIC傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器，為之后的數(shù)據(jù)處理分析奠定了基礎。微處理器模塊：主要工作是通過系統(tǒng)軟件控制數(shù)據(jù)采集模塊完成振動數(shù)據(jù)信號的采集，并對數(shù)據(jù)進行處理分析，然后控制RS-232有線通信模塊將處理完成的數(shù)據(jù)上傳至PC上位機進行顯示及存儲。該模塊是振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和RS-232有線通信模塊進行聯(lián)系的核心部分。RS-232有線通信模塊：將微處理器模塊處理完畢的數(shù)據(jù)，通過RS-232串口通信的方式傳遞給上位機，上位機會自動顯示及存儲數(shù)據(jù)，供振動故障的判斷使用。電源模塊：通過該模塊，將5V外部直流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所使用的3.3V電源。
結(jié)論
本論文設計了一套鐵路振動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用下位機整體檢測模塊PC上位機整體控制數(shù)據(jù)流向，并對上傳的檢測數(shù)據(jù)進行顯示保存。從與傳統(tǒng)檢測方法的比較來看，它能夠更加高效、深入、細致的對鐵路振動信號進行檢測、處理分析及顯示存儲，并為鐵路振動故障的判斷提供可靠依據(jù)。
作者：魯楠 唐嵐 廖若冰 朱加豪 單位：西華大學汽車與交通學院 西華大學西華學院
參考文獻
[1]馮曉芳.中國高速鐵路的發(fā)展與展望[J].科技資訊，2009（1）：129-130.
[2]段合朋.鐵道車輛振動特性及平穩(wěn)性研究[D].成都：西南交通大學，2010.
[3]柴東明.鐵路實用微型振動測試儀研究[J].設備管理與維修，1994（11）：18-21.
【關鍵詞】天然氣發(fā)動機；燃料轉(zhuǎn)換；故障模擬；試驗系統(tǒng)
通過對某城市天然氣出租車的實際考察、收集資料和分析，發(fā)現(xiàn)天然氣汽車的多發(fā)故障是燃氣系統(tǒng)。燃氣系統(tǒng)包括儲氣系統(tǒng)、供氣管路、燃料轉(zhuǎn)換開關、高頻電磁閥等主要部件。其中故障率高發(fā)出現(xiàn)在燃料轉(zhuǎn)換開關、減壓器出口壓力及點火提前角設置。針對上述現(xiàn)象，本章在意大利OMVEL燃氣系統(tǒng)發(fā)動機試驗臺架上進行燃料轉(zhuǎn)換故障模擬試驗，并對試驗結(jié)果進行了分析總結(jié)[1]。
1、燃料轉(zhuǎn)換過程試驗原理
此試驗系統(tǒng)的燃料轉(zhuǎn)換開關[2]，有汽油檔和天燃氣檔兩個檔位。將開關放置在汽油檔位，發(fā)動機汽油啟動，燃用汽油工作，汽油指示燈亮。放置在天燃氣檔位，點燃發(fā)動機的燃料仍是汽油，但踩下油門踏板使發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到燃料轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速（1800r/min）以上時，燃料轉(zhuǎn)換狀態(tài)指示燈閃爍，然后減速到燃料轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速（1800r/min）時，減壓器截止電磁閥工作，天燃氣指示燈亮。此過程就是汽油/CNG兩用燃料發(fā)動機的燃料轉(zhuǎn)換過程。
燃料轉(zhuǎn)換的故障主要包括機械故障和電器故障。機械故障多出現(xiàn)在燃料轉(zhuǎn)換開關，電器故障多出現(xiàn)在電路及傳感器部位。燃料轉(zhuǎn)換故障模擬試驗主要針對相關傳感器進行故障設置，如減壓器出口溫度傳感器、儲氣瓶壓力傳感器、噴氣壓力傳感器和減壓器出口壓力，通過模擬試驗結(jié)果來分析判斷這些傳感器對燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[3]。
2、試驗方法
2.1減壓器出口溫度傳感器故障模擬試驗設計
將溫度傳感器設置為斷開狀態(tài)，模擬溫度傳感器信號丟失，進行發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換，來判斷其對發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換的影響。其故障模擬電路設計如圖1所示。用滑動電位器來替代溫度傳感器，橙色線屬于信號線，與滑動電阻滑動檔位相連，黑一白線是搭鐵線，連接電位器搭鐵端子。溫度傳感器屬于NTC（負溫度系數(shù)）的熱敏電阻。燃氣ECU的電阻與滑動電位器串聯(lián)，當熱敏電阻值發(fā)生變化時，所得的THW值也隨之變化。但在常溫下，測量溫度傳感器電阻值 最大值為1.6kΩ。此設計選用2kΩ的電位器，改變電位器的電阻值，橙色信號線可以得到0到2.IV的分壓值。
2.2儲氣瓶壓力傳感器故障模擬試驗設計
將壓力傳感器裝在減壓器高壓管路的進口處。將壓力信號線與燃氣ECU相聯(lián)接，將信號線斷開，進行燃料轉(zhuǎn)換模擬試驗，觀察對發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換的影響。
2.3噴油器噴氣壓力傳感器故障模擬試驗設計
噴氣壓力傳感器模擬電路的設計如圖2所示。噴氣壓力傳感器用滑動電位器來替代，
圖中的紅一黑線屬于電源線，可以向電位器提供5V電壓，黑一白線屬于搭鐵線，紫色線屬于信號線，當滑動電位器移動時，紫色信號線可以得到的信號電壓在O到5V之間變化。
2.4減壓器出氣口壓力模擬試驗方法
將減壓器穩(wěn)壓腔與―1.5升真空泵相聯(lián)接，這樣可以給減壓器提供一個真空調(diào)節(jié)力，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔出口壓力，使其在0.01一0.09MPa范圍內(nèi)變化，來模擬減壓器出口壓力在低壓狀態(tài)下對發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換的影響；當出口壓力較高時（0.1一0.2MPa），可以利用減壓器穩(wěn)壓腔壓力調(diào)整螺釘來模擬在高壓力情況，壓力對發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換的影響，通過在低壓管路接真空表來測量減壓器出口的壓力值大小。
3、結(jié)論
（l）減壓器溫度傳感器無信號時，對發(fā)動機運轉(zhuǎn)無影響，原因是當燃氣ECU接受不到減壓器溫度傳感器，燃氣ECU在故障模式下工作；當減壓器溫度傳感器信號不正確時，當分壓值兩端的信號電壓超過1.8v時，表明水溫低于40℃，此狀態(tài)導致發(fā)動機燃料轉(zhuǎn)換異常，無法轉(zhuǎn)換到燃用天然氣狀態(tài)；當轉(zhuǎn)換開關自動跳轉(zhuǎn)到汽油狀態(tài)，表明燃氣ECU接收減壓器傳感器發(fā)出的低溫信號，此溫度狀態(tài)下發(fā)動機無足夠的熱量提供給減壓器。
（2）氣瓶壓力信號只是指示燃氣量的多少，在信號丟失的情況下不會對燃料轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生影響。
（3）噴氣壓力傳感器無信號時，燃料轉(zhuǎn)換過程失控，不管是燃用天然氣還是燃用汽油都不能互相轉(zhuǎn)換；當傳感器信號電壓降到0.7V時，燃料狀態(tài)自動轉(zhuǎn)到燃用汽油，原因是燃氣ECU接收到信號電壓過低，判斷燃氣噴射壓力較小，不能保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)正常，自動保護功能開啟，跳轉(zhuǎn)到汽油燃料狀態(tài)。
（4）當減壓器出口壓力小于0.02MPa時，轉(zhuǎn)換開關處于燃氣檔，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降明顯，燃料狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到汽油狀態(tài)；當減壓器出口壓力小于0.01Mpa時，出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。原因是噴氣壓力傳感器電壓信號值偏小，燃氣ECU接收到信號電壓過低，判斷燃氣噴射壓力過小，不能維持發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，自動保護功能開啟，跳轉(zhuǎn)到汽油燃料狀態(tài)。
參考文獻
[1]南濤.汽油/CNG兩用燃料發(fā)動機燃氣系統(tǒng)故障診斷研究[D].長安大學碩士學位論文，2009
[2]李陽陽.汽油/CNG兩用燃料發(fā)動機傳感器故障模擬系統(tǒng)研究[D].長安大學碩士學位論，2012.3.
[3]黃海波主編.《燃氣汽車結(jié)構(gòu)原理與維修》[M].機械工業(yè)出版社，2002.3
作者簡介
李強（1981-），女，山東省濟南市人，碩士，實驗師。
關鍵詞 STEM 初中生物 傳感器
中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B
1986年，STEM教育最先在美國開始出現(xiàn)。如今，作為“十三五”時期教育創(chuàng)新發(fā)展的重要理念和內(nèi)容，STEM教育逐漸在中國教育領域得到推廣。STEM代表科學（Science）、技g（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）。與傳統(tǒng)的分學科教學方式相比，整合性STEM教育更注重這四門學科的有機整合和跨學科教學。目前整合性STEM教育在我國初中階段開展的實例較少，沒有太多的借鑒。
1 課題方向確定
本地區(qū)的初中生物課程安排在七年級和八年級進行，本選修課的開展需要學生具有一定的科學、計算機和數(shù)學知識及相對充足的課余時間，故分別在八年級的上學期和下學期分兩次開展。整合性STEM教育需滿足與學生已有知識相聯(lián)系的一般原則。在七年級的生物課堂教學中，學生已經(jīng)初步學習了植物的光合作用、呼吸作用、酸雨的形成（含pH的概念）、心率的概念、食品腐敗的原因等生物學內(nèi)容。實驗室具備傳感器若干套，包括：二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器、心率傳感等，另外還有光照恒溫培養(yǎng)箱和常規(guī)實驗儀器等。學生根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，結(jié)合已學知識或生活實踐確定自己感興趣的主題。
例如，學生學習了光合作用的內(nèi)容后，知道了植物在光照條件下，可以吸收二氧化碳，產(chǎn)生氧氣。但是一株植物到底能產(chǎn)生多少氧氣呢？這個過程和環(huán)境中的哪些因素有關呢？于是確定了“探究影響光合作用效率的因素”的主題。初中生喝飲料較多，因此他們想知道各種飲料的酸堿度如何，長期喝對人體是否有影響，于是確定了“探究市場上各類飲料的酸堿度”的主題。網(wǎng)絡上一度流傳“保鮮膜并不能保鮮”的說法，為了防止食品腐敗，到底是用保鮮膜好，還是不用保鮮膜好？由此確定了“探究影響食品腐敗的因素”的主題。還有“探究影響心率的因素”“探究不同土質(zhì)土壤的酸堿度”等主題。
在STEM教育應用中，教學模型根據(jù)給定的限定條件不同，可以分為支架式和開放式。本課程采用開放式，即更多由學習者自行提出目標并自行完成任務。八年級的學生求知欲和發(fā)散性思維較強，在教師介紹了已有的實驗設備后，學生三人組成探究小組，會提出很多有趣的探究主題。教師將所有主題都記錄在案，根據(jù)可行性和教學時間進行合理安排，每學期以進行3個探究主題為宜。
2 課題內(nèi)容梳理
每個探究主題確立后，教師會下發(fā)探究報告，指導學生對課題內(nèi)容進行梳理。探究報告中包括：實驗小組的名稱、實驗時間、實驗目的、實驗原理、實驗器材及試劑、實驗設計、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、實驗結(jié)論、實驗反思和拓展。教師通過指導學生查閱文獻資料，幫助學生分析探究目的、實驗原理。學生根據(jù)探究主題，確定具體實驗變量，進行實驗設計，可以用文字或流程圖的方式展示實驗步驟，并根據(jù)實驗步驟列出所需的實驗器材及試劑。
3 教學課時安排
初中選修課一學期開設10次，每次2課時，共計20課時。本課程安排如表1所示。
其中，某些實驗如若每天需要定時測量，就利用課余時間進行。例如探究影響食物腐敗的因素，學生就利用午飯后的時間到實驗室進行測量。
4 教學實施過程
目前，美國中小學STEM教育較多采用輔助式整合，即教師設計的教學活動或單元涵蓋兩門以及以上學科，但把其中一門預設為主要學科，其他學科只是為了輔助該學科的學習。在本課程中，教師以此為借鑒，以生物科學為主，數(shù)學和工程（傳感器）為輔。
4.1 設備培訓
傳感器作為本STEM課程的輔工具，學生要熟悉其原理和使用。教師在教學過程中將傳感器比喻成靈敏的觸角，以激發(fā)學生的興趣，講授設備連接、設備使用、軟件應用、設備復原等環(huán)節(jié)。
4.2 課前準備
本實驗是開放性的實驗，由學生根據(jù)本組實驗需求列出清單，可以自己準備，也可以在實驗室老師的幫助下配齊。
例如，在“探究檢測市場中常見飲料的酸堿度”課題時，學生自己分工準備了純水、碳酸飲料、運動飲料、果汁、茶類、奶類、咖啡、蜂蜜水、巧克力水等多種類型的飲料，并和實驗室老師溝通，準備好大小燒杯若干、玻璃棒、pH傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集器和電腦（配套傳感器軟件、Excel等軟件）等。
4.3 課題實施
生物科學是本STEM的核心學科，觀察是學生發(fā)現(xiàn)問題的出發(fā)點。在課題實施過程中，教師要特別注意培養(yǎng)學生生物知識技能。教師提前告知學生各種儀器的使用方法和注意事項，并請學生特別注意實驗操作的重復性原則、對照原則、控制單一變量原則以及規(guī)范性操作。教師在一旁進行觀察和及時指導。當實驗結(jié)果與預期不符時，學生也可以及時和教師溝通，或課后再通過查閱文獻資料解決問題。
例如，在“探究溫度對光合作用效率的影響”中，應將兩盆相似的植物放在光照等無關變量相同、溫度不同的環(huán)境中測量。學生發(fā)現(xiàn)在某溫度條件下測得氧氣產(chǎn)生量為負值，產(chǎn)生此時“是否不進行光合作用”的疑惑。后經(jīng)過教師的指導，他們知道植物在進行光合作用的同時進行呼吸作用，測得的值為凈光合速率；若想測得真正的光合速率，還需要先測無光條件下的呼吸速率。
再如，在“探究市場上各類飲料的酸堿度”中，一開始學生準備直接將傳感器探頭深入飲料瓶中測量。后經(jīng)過教師指導，學生先取若干個50 mL的小燒杯，編號、貼好標簽。手握貼有標簽一側(cè)的燒杯，用玻璃棒引流，分別倒入等量的飲料，再進行測量。
學生在課題實施過程中，學習了過濾、引流等實驗技術(shù)，并體會了規(guī)范操作的重要性，還不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，各種能力得到了很大的提升。
4.4 數(shù)據(jù)處理和得出
數(shù)學作為本STEM課程的輔工具，能幫助學生更好的總結(jié)、分析實驗結(jié)果，反映科學規(guī)律。在本課程中，教師要求學生在數(shù)據(jù)記錄前設計好統(tǒng)計表格，課程實施中及時填寫真實數(shù)據(jù)，計算出平均值。并鼓勵學生將表格中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成曲線圖或折線圖等形式。學生學會了對數(shù)據(jù)進行不同方式的處理，體會到表格利于統(tǒng)計和計算，而圖形、曲線更能直觀反映趨勢。
例如，在“探究食品腐敗的環(huán)境因素”的課題論文中，某小組就利用excel軟件將數(shù)據(jù)處理成折線圖進行呈現(xiàn)（圖1）。
4.5 課題匯報交流
各個實驗小組完成驗報告，呈現(xiàn)研究問題、過程、測量數(shù)據(jù)及結(jié)果，學生間交流和分享整個課題研究過程，并相互評價。
例如：在“探究溫度對光合作用效率的影響”中，某小組在25℃和5℃的情況下，測得的結(jié)果相似。點評的小組對比本組測試結(jié)果，指出測量應該在測試的溫度下放置一段時間之后再測量，否則誤差較大，并提出了重復實驗的重要性。
匯報和評價過程是學生對各個學科知識和技能的進一步整合，使學生逐漸學會如何用數(shù)學、工程知識分析生活中的生物現(xiàn)象。
4.6 撰寫課題論文
學生如果對某一實驗的研究比較深入，可繼續(xù)查閱資料，思考與實際生活的聯(lián)系，撰寫論文。教師對學生論文撰寫的流程、格式和內(nèi)容等進行指導。
例如，在“探究影響食品腐敗的環(huán)境因素”課題中，某小組除了探究了“溫度對牛奶腐敗的影響”，還受到微信中某文章的啟發(fā)，探究了“覆蓋保鮮膜對牛奶腐敗的影響”，并撰寫了論文。論文將對照實驗的結(jié)果進行分析，得出以下兩個結(jié)論：① 食物保存過程中，短期可以使用保鮮膜，長期則應使用低溫保存法較為可靠；② 食物廠家提供的保質(zhì)期是科學的，所以超過保質(zhì)期的食物不可以食用。
學生在撰寫成論文的過程，體會了各科知識綜合運用的重要性，強化了用STEM理念去解決實際問題的能力。
參考文獻：
[1] 楊亞平，陳晨.美國中小學整合性STEM教學實踐的研究[J].外國中小學教育，2016（5）：58-64.