◆王君瑞

基于Proteus的傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)改革研究

◆王君瑞

針對傳感器與檢測技術(shù)課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)只注重理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)偏重驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的問題，利用Proteus軟件對傳感器與檢測技術(shù)課程的各個(gè)相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐情況表明：將Proteus軟件引入“傳感器與檢測技術(shù)”教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合分析、解決問題的能力。

傳感器與檢測技術(shù)；Proteus；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 前言

隨著時(shí)代及科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高等教育所處的內(nèi)外環(huán)境發(fā)生巨大變化。當(dāng)前對于人才素質(zhì)的培養(yǎng)需要日漸多樣化。國內(nèi)外公認(rèn)傳感器與檢測技術(shù)不僅是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，而且是最有發(fā)展前途的高科技產(chǎn)業(yè)。因此，當(dāng)前普通高等學(xué)校自動(dòng)化、測控技術(shù)與儀器、電子信息工程及電氣技術(shù)等專業(yè)將傳感器與檢測技術(shù)課程設(shè)置為專業(yè)基礎(chǔ)必修課。

傳感器與檢測技術(shù)課程是涉及電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、材料、化學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多學(xué)科的交叉學(xué)科，其內(nèi)容繁雜，是后續(xù)專業(yè)課程如單片機(jī)、自動(dòng)控制等課程學(xué)習(xí)和專業(yè)技能培養(yǎng)的基礎(chǔ)。從工程實(shí)施的角度來看，傳感器與檢測技術(shù)通常分類講述各種測量傳感器的工作原理、測量電路、選型及實(shí)際應(yīng)用，以及工程應(yīng)用中常見的溫度、壓力、物位、厚度、速度、流量等物理量的測量方法。對于各種測量傳感器的原理及應(yīng)用場合而言，其內(nèi)容是相互獨(dú)立的。

傳感器與檢測技術(shù)課程的傳統(tǒng)課堂教學(xué)過程，主要是對各類傳感器的物理性質(zhì)、工作原理及簡單生活應(yīng)用進(jìn)行講解。由于大部分學(xué)生都是初次接觸相關(guān)傳感器的知識，從而缺乏感性認(rèn)識。另外，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通常由試驗(yàn)箱來完成，學(xué)生通過連接導(dǎo)線、運(yùn)行儀器，從而觀察結(jié)果，缺乏對自主學(xué)習(xí)的訓(xùn)練，難以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。基于傳感器與檢測技術(shù)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將仿真軟件Proteus引入該課程教學(xué)中，對課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、考核方式都重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的諸多不足及條件限制。

2 Proteus仿真在課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus仿真軟件特點(diǎn) 1989年，英國Labcenter Electronics公司開發(fā)了一款用于電子電路和單片機(jī)系統(tǒng)的仿真工具軟件——Proteus軟件。該軟件提供了大量的存儲器和外圍芯片，以及虛擬儀器儀表諸如虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等，不僅可以滿足單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，而且可以進(jìn)行模擬分析、數(shù)字仿真、混合信號分析及邏輯分析等。

將Proteus引入到課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué) Proteus軟件提供了傳感器庫，對于工程應(yīng)用中常見的傳感器模塊如光敏、壓力、溫濕度傳感器等，在傳感器庫中都可以找到。課堂教學(xué)中，教師在講授課程理論的同時(shí)，利用Proteus軟件將設(shè)計(jì)好的各類傳感器進(jìn)行效果演示。同時(shí)，對傳感器系統(tǒng)中的各種傳感器、單片機(jī)等，可分別講解各功能模塊的作用，使學(xué)生對于設(shè)計(jì)一個(gè)完整傳感器系統(tǒng)的各功能模塊有更直觀、清晰的認(rèn)識。對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大部分普通高等學(xué)校都采用傳感器試驗(yàn)箱來完成，通常實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和演示性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容居多。將Proteus軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以借助Proteus所提供的元器件和外設(shè)模型，選擇各種傳感器、CPU進(jìn)行各種原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能自主進(jìn)行傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提升學(xué)生機(jī)電設(shè)計(jì)的水平和能力。

利用Proteus設(shè)計(jì)改進(jìn)課程的考核方式 傳統(tǒng)傳感器

與檢測技術(shù)教學(xué)過程中，通常采用課程考試一卷定終身，成績高低完全依賴于試卷成績，學(xué)生憑借記憶背誦、理論推導(dǎo)、公式計(jì)算就可以拿到高分。另外，采用一卷考核，考核內(nèi)容不可能含括傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)中的全部內(nèi)容，這必然會造成考核結(jié)果存在偶然性，不能有效、真實(shí)地考核學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)中對課程知識和技術(shù)的掌握程度。為此利用Proteus仿真改進(jìn)傳感器與檢測技術(shù)的考核方式，采用“試卷成績+Proteus仿真設(shè)計(jì)+實(shí)驗(yàn)成績”累加式的考核方式，真正有效培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合分析、解決問題的能力。

作者：王君瑞，北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)（750021）。

3 Proteus仿真在教學(xué)中的實(shí)踐

課題：溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 溫度是一個(gè)表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的重要物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要工藝參數(shù)，在電飯煲、空調(diào)、電阻爐、報(bào)警器、工業(yè)現(xiàn)場等場合中都有應(yīng)用。在課堂教學(xué)中，通常介紹三類常用溫度傳感器的工作原理，以及根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)如何選用合適的溫度傳感器。首先，了解金屬熱電阻測量溫度時(shí)其電阻值隨溫度而變化的特性，掌握熱電阻相關(guān)電橋測溫原理；其次，了解熱敏電阻的測溫特性、類型；最后，了解熱電偶的測溫工作原理，學(xué)會使用熱電偶分度表，掌握熱電偶的使用方法。在實(shí)踐教學(xué)中，要求學(xué)生能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用合適的溫度傳感器，并完成相應(yīng)溫度測量電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過硬件實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)題目確定后，組織學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)中傳感器的選型、溫度測量電路的設(shè)計(jì)，最終利用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的仿真。

教學(xué)目標(biāo) 通過此次教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生應(yīng)掌握所用元器件的工作原理，認(rèn)識并熟知各種器件相關(guān)技術(shù)參數(shù)，學(xué)會搭建各種傳感器的測量電路和補(bǔ)償電路，熟練查閱熱電偶和熱電阻的技術(shù)手冊，學(xué)會記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

仿真調(diào)試 根據(jù)前期的調(diào)研、查閱資料并組織學(xué)生討論，最終確定每種傳感器測溫的典型電路。本實(shí)例采用熱電偶測溫電路，采用J型熱電偶作為敏感元件進(jìn)行接觸式測量。熱電偶輸出信號非常小，為毫伏級微弱信號。若將該輸出信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，則該微弱信號極有可能被系統(tǒng)本身的紋波所淹沒，因此必須進(jìn)行信號調(diào)理，即將待測信號通過放大、濾波等操作，得到適合的輸出信號。

本仿真設(shè)計(jì)的溫度調(diào)理電路采用雙電源、儀表放大器OP07A，二階低通濾波電路。熱電偶作為敏感元件直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的熱電動(dòng)勢信號輸出，該信號經(jīng)過后續(xù)一級差分放大、二階低通濾波兼二級放大后輸出的電壓值滿足AD轉(zhuǎn)換所需要的電壓范圍0～5 V的要求：0 ℃時(shí)輸出0 V，1000 ℃時(shí)輸出5 V。熱電偶測溫一級差分放大電路、二階低通濾波兼二級放大電路如圖1、圖2所示。

相關(guān)溫度測量電路設(shè)計(jì)完成后，可以打開Proteus軟件，首先在Transducer庫中選擇所需傳感器模塊，相關(guān)溫度調(diào)理電路所需元器件，按照設(shè)計(jì)要求連接元器件組成電路，即完成仿真電路圖的繪制。由于該設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)完成，完成仿真電路圖后即可進(jìn)行仿真測試。如果設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，可在Keil集成開發(fā)環(huán)境下使用C語言編制程序和編譯，程序調(diào)試通過后生成一個(gè)后綴名為.hex的文件，以備仿真時(shí)調(diào)用。

圖1 熱電偶測溫一級差分放大電路

圖2 熱電偶測溫二階低通濾波及二級放大電路

4 結(jié)束語

將Proteus軟件引入傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)各環(huán)節(jié)，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，在一定程度上擺脫了各類傳感器實(shí)驗(yàn)中對于傳統(tǒng)硬件條件的局限。另外，Proteus仿真設(shè)計(jì)的項(xiàng)目大多與學(xué)生日常生活密切相關(guān)，并蘊(yùn)含工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。利用Proteus軟件完成一個(gè)傳感器系統(tǒng)或完成一個(gè)測量電路，使學(xué)生對此保持濃厚的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了認(rèn)知能力和實(shí)踐能力。今后還需繼續(xù)探索，不斷優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行教學(xué)改革，增強(qiáng)教學(xué)效果。

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Based on Proteus Sensor and Detection Technology Course Teaching Reform Research/

/WANG Junrui

In the course of traditional classroom teaching only focuses on theoretical teaching, experimental teaching the verification experiment, using Proteus software of Sensor and Detection Technology course each relevant teaching design. Teaching practice shows that the application of Proteus software in teaching, not only can further stimulate students’ interest in learning, but also to cultivate and improve students’ comprehensive analysis and the ability to solve problems.

ensor and detection technology; Proteus; experiment teaching

G642.0

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