学习行为监测台灯
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学习行为监测台灯 发布于:2021/10/22
    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。作者:许文睿 来源:发明与创新·中学生

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