張婧婧，李勇偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) a.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b.機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究

張婧婧a，李勇偉b

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)a.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b.機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

作為傳感器課程項(xiàng)目式教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)工具——仿真軟件的應(yīng)用有助于學(xué)習(xí)者加深對傳感器原理及特性的理解，同時推進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程高效、經(jīng)濟(jì)地開展。該文以NIMultisim仿真軟件、Proteus仿真軟件和Labview仿真軟件為例，闡述了不同設(shè)計(jì)層次選取不同仿真軟件對項(xiàng)目設(shè)計(jì)的必要性，同時也為傳感器課程設(shè)計(jì)了易于操作的仿真實(shí)驗(yàn)體系。

傳感器技術(shù)；仿真軟件；項(xiàng)目式教學(xué)；NIMultisim；Proteus；Labview

作為工科類的主干課程，傳感器技術(shù)課程對學(xué)習(xí)者的實(shí)踐能力要求較高。目前，傳感器技術(shù)教學(xué)中以原理性驗(yàn)證、應(yīng)用型設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐漸被項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容吸收或覆蓋[1-3]，在集成電路或功能模塊的參與下，學(xué)習(xí)者往往會忽視項(xiàng)目本身所涉及的傳感器或相關(guān)知識點(diǎn)的重要性，因此輔之以必要的仿真實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)習(xí)者對課程理論的理解，也有助于提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率，避免各類調(diào)理電路的重復(fù)制作。本文以3種仿真軟件[4-5]為例，闡述對傳感器技術(shù)課程仿真實(shí)驗(yàn)的研究與理解。

1 仿真軟件的選擇與應(yīng)用

仿真實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中不難看出，涉及傳感器原理性的基礎(chǔ)電路應(yīng)選取適于精準(zhǔn)測量電子電路的仿真軟件NI Multisim[6-9]為宜；涉及程控傳感過程的仿真系統(tǒng)，應(yīng)選擇擅長運(yùn)用單片機(jī)的Proteus[10-12]軟件為主；涉及傳感器數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)顯示的項(xiàng)目，則選擇Labview[13-15]仿真軟件最為合理。在規(guī)模較大的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，上述3類軟件還能很好地結(jié)合使用，如利用“Proteus+Labview”[16]組合或“Multisim + Labview”[17]組合的仿真系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺開發(fā)中普遍采用，因此學(xué)習(xí)者在不同設(shè)計(jì)層次選擇相應(yīng)的仿真軟件，將為傳感器項(xiàng)目設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 NI Multisim軟件的仿真實(shí)例

NI Multisim軟件擅長原理電路的設(shè)計(jì)、電子電路的功能測試。在傳感器原理實(shí)驗(yàn)中，可以利用該軟件完成熱敏電阻、濕敏電阻、金屬應(yīng)變片、壓電陶瓷片和霍爾開關(guān)等傳感電路的虛擬仿真，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對傳感器原理和特性的理解。軟件中豐富的測試儀器還有助于進(jìn)行各類電路的參數(shù)測試，提高設(shè)計(jì)效率。

利用Multisim實(shí)現(xiàn)的濕度報(bào)警器如圖2所示，雨滴傳感器(在圖2中用開關(guān)J1表示)采集到濕度信號后，會將自身100 MΩ以上的電阻值降低為10 kΩ左右，在圖2電路中起到開關(guān)作用，促使三極管2N3906處于導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，隨后利用555作短暫延時后燈光報(bào)警。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

圖2 濕度報(bào)警器的Multisim仿真

3 Proteus軟件的仿真實(shí)例

Proteus軟件致力于單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用，若干少見的傳感器元件如MPX4115 (硅集成壓力傳感器)、SHT11(溫濕度傳感器)、LDR(光敏電阻)、IRLINK(紅外感應(yīng)器)等在Proteus元件庫中均能找到。涉及傳感器數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如溫濕度監(jiān)測、壓力監(jiān)測、人體紅外監(jiān)測、液體流量監(jiān)測等系統(tǒng)均可以應(yīng)用該軟件進(jìn)行仿真和測試。

利用Proteus仿真實(shí)現(xiàn)的壓力測試系統(tǒng)如圖3所示，硅集成壓力傳感器MPX4115采集的壓力數(shù)據(jù)，在通過ADC0832完成A/D轉(zhuǎn)換后，將送至單片機(jī)AT89C51，完成數(shù)據(jù)的輸出和顯示。圖3中雖然忽略了硅集成壓力傳感器的濾波電路(RC電路)，MPX4115仍然能夠正常工作，因此認(rèn)為基于Proteus的仿真設(shè)計(jì)更專注于程序的測試，某種程度上可以弱化電子電路的部分硬件功能，為軟件設(shè)計(jì)者提供便利。

圖3 壓力測試系統(tǒng)的Proteus仿真

4 Labview軟件的仿真實(shí)例

與前兩類仿真軟件相比，利用虛擬集成環(huán)境Labview軟件能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)的采集、處理和顯示推動到更高的設(shè)計(jì)水平。利用Labview軟件進(jìn)行傳感器項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要配置數(shù)據(jù)采集通道、構(gòu)建傳感器的調(diào)理電路、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的圖形監(jiān)控界面、繪制處理數(shù)據(jù)的程序框圖等。在相關(guān)設(shè)計(jì)中，Labview軟件除了能夠完成溫度、濕度、壓力、液體流量和光強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集，還可以完成數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示及存儲等功能。

采用Labview仿真實(shí)現(xiàn)的溫度采集電路如圖4所示，設(shè)計(jì)中通過第一層while循環(huán)實(shí)現(xiàn)程序的外重循環(huán)，通過第二層分支結(jié)構(gòu)判斷能否開始采集數(shù)據(jù)，利用第三層的層疊結(jié)構(gòu)依次執(zhí)行3個子程序，并由第四層for循環(huán)中完成100個溫度的樣點(diǎn)采集，最后由第五層決定報(bào)警、溫度轉(zhuǎn)換及暫?？刂剖录欠癜l(fā)生。此外采集的溫度數(shù)據(jù)可以通過文本文檔保存。

如圖5所示，利用Labview的前面板控件，設(shè)計(jì)者能夠輕松完成數(shù)據(jù)采集的通道設(shè)置、溫度的上限設(shè)置、溫度的轉(zhuǎn)換設(shè)置、啟?？刂埔约帮@示報(bào)警設(shè)置，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)監(jiān)控界面。

圖4 溫度采集電路的Labview仿真

圖5 溫度采集界面的前面板設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

目前，適用于傳感器課程項(xiàng)目式教學(xué)的仿真軟件還有很多，與仿真軟件配套的硬件設(shè)備也將層出不窮。根據(jù)學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)層次，選取合適的仿真工具輔助實(shí)驗(yàn)逐漸成為教學(xué)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也成為學(xué)習(xí)者順利完成項(xiàng)目的重要保障。然而在更多的實(shí)踐過程中，仿真軟件仍不可能預(yù)見所有的困難，建議在成功完成仿真作品之后，根據(jù)設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的實(shí)物制作，及時總結(jié)仿真與實(shí)物作品間的區(qū)別與聯(lián)系，這將有助于建立傳感器課程高質(zhì)量、高效率的實(shí)驗(yàn)體系，加速推進(jìn)傳感器課程的教學(xué)改革之路。

[1] 李姿景, 張具琴, 陳嘉義.“傳感器原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國電力教育, 2010(21):110-111.

[2] 張東, 程正富.《傳感器原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].重慶高教研究, 2006, 5(1):84-85.

[3] 吳建平, 甘媛.“傳感器”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版), 2005, 13(4):64-66.

[4] 楊鵬, 史旺旺.基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2006, 4(6):71-73.

[5] 盧超, 楊琳瑜, 鄔冠華.基于虛擬儀器的傳感器課程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2005, 24(11):69-71.

[6]李文秀, 劉春艷, 梁斌,等.MULTISIM在電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 28(6):92-95.

[7] 王海波.基于Multisim仿真軟件的電工電子實(shí)踐教學(xué)改革[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2011(9):221-222.

[8] 盛桂珍, 蔡長青.基于Multisim 10的新型教學(xué)方法的應(yīng)用研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011(3):90-92.

[9] 謝飛.數(shù)字電壓表Multisim仿真在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].科技資訊, 2012(25):155-156.

[10] 蘇變玲, 朱志平, 袁衛(wèi).基于Proteus的單片機(jī)仿真教學(xué)的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2009, 28(4):75-78.

[11] 伍馮潔, 謝斌.基于Proteus與Keil的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2009, 28(7):125-127.

[12] 陳龍, 張亞君.Proteus仿真軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2009, 26(8):73-75.

[13] 肖亞克.基于虛擬儀器技術(shù)的溫度和光照測量[J].國外電子測量技術(shù), 2004, 23(5):33-35.

[14] 李達(dá), 魏學(xué)哲, 孫澤昌.LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國儀器儀表, 2007(1):49-52.

[15] 劉斌, 高敬格, 張書強(qiáng).基于LabVIEW的環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息:科學(xué)教研, 2007(29):206-206.

[16] 吳海峰, 鄧世建, 李紅.基于LabVIEW和Proteus的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真[J].礦山機(jī)械, 2008(24):18-21.

[17] 陳真, 王延江, 王釗.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2006(6):27-28.

Design and Research on Simulation Experiment of Sensor Technology

ZHANG Jingjinga,LI Yongweib

(a.College of Computer and Information Engineering; b.Mechanical Transportation College,Xinjiang Agricultural University, Urumqi, 830052)

As an important experimental tool for the teaching of sensor courses, the application of the simulation software can help learners to deepen the understanding of the sensor’s principle and characteristics, and simultaneously promote the development of the experimental process efficiently and economically.In this paper, we take the NI Multisim simulation software, Proteus simulation software and Labview simulation software as the examples, to illustrate the necessity that different design levels need to select different simulation software in the project design, and we also design an easy operation simulation experiment system for the sensor course teaching.

sensor technology; simulation software; project teaching; NI Multisim; Proteus; Labview

2015-08-27；修改日期:2015-10-03

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新辦專業(yè)專業(yè)課程建設(shè)項(xiàng)目(2015XBZY07)資助。

張婧婧(1981-)，女，碩士，講師，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)、嵌入式理論與應(yīng)用方向的研究工作。

TM343;G

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.014