王林泓

摘 要：將Proteus仿真軟件引入到傳感器的教學(xué)中，以熱電偶傳感器為例，通過對熱電偶特性及以熱電偶為檢測單元的測溫系統(tǒng)的仿真，將抽象的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合起來。實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真和實(shí)際制作的無縫對接，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及問題分析能力，具有較好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：Proteus仿真軟件 傳感器 熱電偶

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（a）-0143-04

1 Proteus仿真軟件引入傳感器的教學(xué)

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺(tái)是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，是目前世界上最先進(jìn)，最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)之一。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Proteus仿真軟件可以進(jìn)行電子線路的仿真與設(shè)計(jì)[1-3]（包括電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等電路的設(shè)計(jì)仿真） 和單片機(jī)系統(tǒng)仿真[4]。使用Proteus軟件進(jìn)行傳感器及其檢測電路設(shè)計(jì)是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用[5-7]，有利于培養(yǎng)學(xué)生對傳感器檢測電路的設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力；在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，Proteus仿真軟件在理論教學(xué)與硬件制作之間建立了一座橋梁，使學(xué)生對傳感器的學(xué)習(xí)更易理解，更容易提高。教學(xué)實(shí)踐表明，將Proteus引入到傳感器的教學(xué)中，極大提升了學(xué)生對傳感器學(xué)習(xí)的興趣，而進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作能極大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。本文以工程上廣泛應(yīng)用的熱電偶溫度傳感器測溫電路的Proteus仿真為例進(jìn)行介紹。

2 Proteus軟件中的溫度傳感器

2.1 Proteus軟件中的溫度傳感器

Proteus軟件中有大量的傳感器模型，其中溫度傳感器包括：熱敏電阻、集成電壓、電流型傳感器及熱電偶傳感器等。常用溫度傳感器見表1。

2.2 熱電偶

兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合形成回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

熱電偶符號(hào)及Proteus軟件中熱電偶的圖形如圖1所示。

采用Proteus軟件對熱電偶進(jìn)行仿真時(shí)，通過上下箭頭調(diào)節(jié)溫度，再用電壓表即可觀察熱電偶輸出熱電勢與溫度的關(guān)系。

3 熱電偶測溫儀的仿真

熱電偶的輸出電壓是mV級的，因此需要進(jìn)行放大。與熱電偶配對使用的放大器包括AD594和AD595。其中AD594與J型熱電偶配對使用，AD595與K型熱電偶配對使用。本文以AD594與J型熱電偶的配合使用為例，介紹熱電偶測溫電路的設(shè)計(jì)方法及工作過程在Proteus仿真軟件中的實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)的熱電偶溫度計(jì)包括J型熱電偶，J型熱電偶放大器AD594，顯示模塊ICL7135及驅(qū)動(dòng)電路。測溫及熱電偶狀態(tài)監(jiān)測電路如圖2所示。該電路的工作原理如下：J型熱電偶的一對導(dǎo)線末端點(diǎn)作為熱電偶的連接點(diǎn)，它是AD594進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕狱c(diǎn)。此點(diǎn)需與AD594保持相同的溫度。AD594外殼和印制板在1腳和14腳用銅箔進(jìn)行熱接觸，熱電偶的引線接到它的外殼引線上，從而保持均溫。當(dāng)熱電偶的一條或兩條引線斷開時(shí)，AD594的12腳變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^三極管電路控制555報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)聲，提示用戶熱電偶出現(xiàn)了斷線故障。

在圖2中如果斷開熱電偶的一根連線，仿真運(yùn)行后可以聽到揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，從而模擬的實(shí)際應(yīng)用中熱電偶斷線或沒有連接好的故障。通過圖2可以讓學(xué)生了解并感知熱電偶工作狀態(tài)檢測的方法。

熱電偶放大器AD594和AD595輸出電壓與熱電偶輸出電壓的關(guān)系如式（1）所示：

AD594輸出 = （J型電壓+16?V）×193.4

AD595輸出=（K型電壓+11?V）×247.3 （1）

熱電偶的溫度每變化1℃，AD594的9腳就有10mV的電壓輸出，該電壓經(jīng)過1Ω電阻加到數(shù)字顯示電路ICL7135的輸入端9腳和10腳，如圖3所示。ICI7135是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以轉(zhuǎn)換輸出±20000個(gè)數(shù)字量，有STB選通控制的BCD碼輸出，與微機(jī)接口十分方便。ICL7135的轉(zhuǎn)換速度與時(shí)鐘頻率相關(guān)，在仿真電路中轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為125KHz。其輸出的數(shù)字量=10000×（VIN/VREF），在本例中VREF=2.5。

圖3中7447芯片是BCD碼轉(zhuǎn)換成7段LED數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，7447的主要功能是輸出低電平驅(qū)動(dòng)的顯示碼，用以推動(dòng)共陽極7段LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。在熱電偶溫度計(jì)仿真電路中數(shù)碼管顯示的是ICL7135輸出的數(shù)字量，顯示電路如圖4所示。

通過上述熱電偶測溫電路的仿真，學(xué)生不僅可以了解到熱電偶測溫的原理，還可以了解熱電偶工作狀態(tài)在線監(jiān)測方法。當(dāng)把仿真電路進(jìn)一步制作成實(shí)物時(shí)，學(xué)生可以參考仿真電路對實(shí)際電路進(jìn)行相關(guān)測量及故障排除。由于仿真電路中數(shù)碼管顯示的并不是溫度，還需要經(jīng)過一定的推導(dǎo)。因此在教學(xué)的過程中可以引導(dǎo)學(xué)生利用熱電偶分度表的知識(shí)、AD轉(zhuǎn)換數(shù)字量計(jì)算方法等知識(shí)融合起來，進(jìn)行溫度推算。在這個(gè)仿真電路中不利用單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)，因此對還沒有學(xué)習(xí)單片機(jī)的學(xué)生，是一個(gè)很好的例子。這個(gè)仿真項(xiàng)目在學(xué)生學(xué)習(xí)了單片機(jī)課程后可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，采用液晶屏直接顯示溫度值。endprint

4 Proteus仿真軟件對傳感器教學(xué)的意義

（1）實(shí)現(xiàn)了電子類課程的融合。傳感器的應(yīng)用本身融合了電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)及單片機(jī)等課程的知識(shí)。通過在多功能綜合仿真軟件中搭建相關(guān)檢測電路，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

（2）使得翻轉(zhuǎn)課堂的形式更容易實(shí)現(xiàn)。通過將仿真任務(wù)提前布置給學(xué)生，學(xué)生在課下可以在電腦上完成電路的仿真，對照給定的原理圖，學(xué)生在繪圖的過程中需要有細(xì)致認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度。在課堂上學(xué)生可以結(jié)合仿真中的問題和對電路工作原理提出疑問。由老師進(jìn)行解答，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考電路中某些重要參數(shù)設(shè)計(jì)的方法和技巧。將答疑，啟發(fā)，引導(dǎo)的教學(xué)方法與軟件仿真相結(jié)合，給學(xué)生提供了更多的思維活動(dòng)空間，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，主動(dòng)性。

（3）實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真和實(shí)際制作的無縫對接。利用Proteus軟件，可以仿真不同種類的傳感器的性質(zhì)，模擬傳感器的工作過程，構(gòu)建依據(jù)傳感器的檢測系統(tǒng)。對仿真軟件中沒有的傳感器類型，可以根據(jù)其特性用軟件中現(xiàn)有的器件來代替。在對檢測電路仿真無誤后，可以進(jìn)行實(shí)際電路的制作與調(diào)試，從而把虛擬仿真和實(shí)際制作及調(diào)試相結(jié)合，不但能降低實(shí)驗(yàn)成本，而且能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。把Proteus仿真軟件應(yīng)用于傳感器教學(xué)中，在虛擬仿真和實(shí)物制作之間實(shí)現(xiàn)了無縫對接，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5 結(jié)語

傳感器及其應(yīng)用課程是一門重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的課程。利用仿真技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)以傳感器為感知端的檢測系統(tǒng)，對于培養(yǎng)學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，把抽象的概念具體化都有重要的意義，同時(shí)有效地延伸了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和拓寬了實(shí)驗(yàn)場所。通過教學(xué)實(shí)踐證明，在溫度傳感器的教學(xué)引入Proteus仿真教學(xué)，降低了教學(xué)難度，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果得到了提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 許維鎣，鄭榮煥.Proteus電子電路設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 馮睿，楊運(yùn)芳.Proteus在“電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能”課程中的應(yīng)用[J].工業(yè)和信息化教育，2013（7）：55-58.

[3] 陳燕.Proteus在電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，7（1）：349-351.

[4] 米紅菊，易斌，王麗萍，等.淺析基于仿真技術(shù)的單片機(jī)交互式教學(xué)環(huán)境構(gòu)建[J].工業(yè)和信息化教育，2015（3）：88-94.

[5] 李娟，劉煥平.Proteus仿真軟件在傳感器課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，25（6）：65-67，77.

[6] 鄧昌建.仿真技術(shù)傳感器及其應(yīng)用的教學(xué)[J].四川教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（5）：112-113.

[7] 陳芳.溫度傳感器DS18B20在Proteus中的仿真[J].技術(shù)縱橫，2010（7）：17-20.endprint