李勁松

(安徽大學，安徽 合肥 230601)

CDIO(Conceive構(gòu)思，Design設(shè)計，Implement實施，Operate運行)教育模式是由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學經(jīng)過多年的探索、研究和實踐，于2004年創(chuàng)立的一種工程教育理念。該教育模式以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標[1-3]。迄今為止，國際上已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，按CDIO模式培養(yǎng)的學生深受社會與企業(yè)歡迎。我國于2008年，由教育部高等教育司發(fā)文成立“CDIO工程教育模式研究與實踐課題組”；2016年，在教育部原“CDIO工程教育改革試點工作組”基礎(chǔ)上成立“CDIO工程教育聯(lián)盟”。目前，我國共有105所高校加入“CDIO工程教育聯(lián)盟”。

日常生產(chǎn)和生活中，智能化的溫度測量及控制在農(nóng)林畜牧、食品運輸和存儲、醫(yī)藥行業(yè)藥品保存等行業(yè)越來越重要。針對所述領(lǐng)域社會需求和面臨的復雜工程問題，以及CDIO教育模式中強調(diào)的主動性、實踐性、課程之間有機聯(lián)系性的教學方式[4-5]，本文以CDIO教育理念為基本思路和框架，以安徽大學光電信息科學與工程專業(yè)培養(yǎng)方案這“集成光電器件工程訓練”課程為例，利用商業(yè)化元器件和傳感器結(jié)合可編程單片機和LabVIEW軟件開展智能溫度傳感系統(tǒng)的自主設(shè)計和實驗研究，通過實現(xiàn)傳感器信號的測量、采集、通訊、分析處理和實時顯示、存儲等過程，探索適合培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的工程實訓課程設(shè)計教學新模式[6]。

1 智能溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計

為了加強課程之間的關(guān)聯(lián)性、自然銜接和相互配合，幫助學生構(gòu)建完整的知識結(jié)構(gòu)，讓學生能夠充分發(fā)揮前期所學的專業(yè)知識，本實驗圍繞單片機課程、光電檢測技術(shù)、計算機編程等課程教學內(nèi)容，結(jié)合日常生產(chǎn)生活中對智能化溫度測控的實際應用需求，將硬件和軟件相結(jié)合，開展實驗內(nèi)容的總體設(shè)計思路和方案的流程圖如圖1所示。

圖1 智能溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計方案流程圖

1.1 硬件選型

傳統(tǒng)的溫度測控系統(tǒng)通常采用熱敏電阻或熱電偶作為溫度傳感器，結(jié)合一定的補償電路，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)才能獲得數(shù)字化信號，增加了電路的復雜性，且電路易受干擾，使采集到的數(shù)據(jù)準確性不高。隨著現(xiàn)代化電子技術(shù)的發(fā)展，目前國際上新型溫度傳感器已從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、小型化的方向飛速發(fā)展。本實驗以小型化溫度傳感器DS18B20作為溫度測量的傳感器，該傳感器將溫度傳感器、寄存器、接口電路集成于一體化芯片中，可直接輸出數(shù)字信號，其原理示意圖如圖2所示。

圖2 DS18B20型溫度傳感器原理示意圖

為了便于整個設(shè)計過程中功能調(diào)試和實現(xiàn)，以BST-V51型單片機開發(fā)板作為中控單元，其集成的STC90C52型單片機芯片擁有USB自動下載模塊，可直接寫入程序，實現(xiàn)和拓展檢測功能。此外，利用LCD顯示屏增強傳感器系統(tǒng)的可視化硬件顯示功能。

為了更好讓學生掌握本實驗設(shè)計過程和溫度傳感系統(tǒng)工作原理，首先可通過軟件進行理論仿真研究。選擇了英國Lab Center Electronics公司出版的Proteus軟件來進行原理圖布圖設(shè)計、代碼調(diào)試到單片機及外圍電路協(xié)同仿真模擬。首先，在打開的Proteus軟件工作界面，選擇以上所述型號的電子元器件，依據(jù)電子元器件各個引腳定義，將其按工作原理圖連接起來，最終生成的仿真電路圖如圖3所示。仿真調(diào)試成功之后，需要編寫單片機程序并將代碼燒錄到單片機內(nèi)部，執(zhí)行溫度數(shù)據(jù)的讀取、顯示和傳輸?shù)裙δ?。以基于C語言的KeiluVision4軟件為例，主要包括以下六個函數(shù)模塊：1)定義變量部分，2)初始化DS18B20溫度傳感器，3)設(shè)置串口數(shù)據(jù)部分，4)讀溫度值部分，5)顯示函數(shù)部分，6)主函數(shù)部分。最后，將編譯成功的單片機程序代碼通過STC-ISP或PZ-ISP軟件下載到單片機芯片內(nèi)，下載成功后，給單片機開發(fā)板斷電再通電，即可實現(xiàn)傳感器測量值實時顯示在LCD液晶顯示屏中，實現(xiàn)可視化效果。實際教學過程中，依據(jù)LCD顯示屏顯示位數(shù)，可適當增加其他寫入功能，如：學生姓名和個人學號信息等。

圖3 Proteus仿真溫度測量實現(xiàn)過程程序圖

1.2 軟件通訊

智能化傳感系統(tǒng)設(shè)計離不開數(shù)據(jù)通訊、存儲、實時分析和可視化顯示數(shù)據(jù)變化趨勢分析軟件。在眾多數(shù)據(jù)可視化圖形軟件中，LabVIEW(全稱為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一款由美國國家儀器公司研制開發(fā)的一種采用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，開發(fā)環(huán)境類似于C和BASIC語言已成為一種通用的編程系統(tǒng)。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等，并以與傳統(tǒng)儀器外觀類似的控件形式存在，可便于使用者方便地創(chuàng)建用戶界面，即通稱為“前面板”。與其對應的“后面板”是圖形化源代碼，又稱G代碼。圖框是LabVIEW實現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令的表現(xiàn)形式，框圖程序中的節(jié)點類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。LabVIEW數(shù)據(jù)庫中VISA庫函數(shù)是實現(xiàn)串口通訊的關(guān)鍵模塊。VISA功能模塊包括VISA讀取、VISA寫入、VISA設(shè)備清零函數(shù)，及采樣參數(shù)設(shè)置等模塊。中首先利用VISA配置串口將串口設(shè)置初始化，設(shè)定波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位、流控制、超時處理終止符和終止符使能等通訊參數(shù)。再利用VISA 讀取模塊從 VISA資源名稱所指定的串口中讀取指定字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。最后通過VISA關(guān)閉模塊關(guān)閉 VISA資源名稱指定的串口會話句柄或事件對象，釋放串口資源，以便串口被其他程序所調(diào)用。如圖4所示為實驗設(shè)計的基于VISA串口通信的上位機數(shù)據(jù)通訊軟件界面和程序流程圖。前面板具有串口通訊所需的所有參數(shù)設(shè)置功能，且具有類似示波器的顯示功能，可實時連續(xù)顯示測量數(shù)據(jù)。

圖4 VISA串口數(shù)據(jù)通信的前面板(左)和后面板(右)

1.3 應用案例

通過以上所述各部分完成相關(guān)硬件測試和軟件程序編寫之后，即可開展智能溫度傳感系統(tǒng)整體集成和功能測試階段。圖5是本專業(yè)學生針對國家全面倡導的節(jié)能減排政策，為防止夏季學生教室空調(diào)溫度設(shè)置過低，造成能源浪費，而設(shè)計的一款教室溫度智能監(jiān)控傳感系統(tǒng)，在上位機LabVIEW的控制之下對空調(diào)及風扇實現(xiàn)合理的制冷控制，以達到節(jié)能減排的效果。

圖5 教室溫度智能測控系統(tǒng)實物圖和通訊軟件

最后，為了檢驗自行設(shè)計的溫度傳感系統(tǒng)運行效果，以不同溫度的熱水為檢測對象，與商業(yè)化溫度傳感器進行了對比實驗，將測量結(jié)果導入Origin數(shù)據(jù)處理軟件中，繪制的圖形結(jié)果如圖6所示，并對結(jié)果進行線性擬合，統(tǒng)計分析結(jié)果顯示兩者具有很好的一致性，線性相關(guān)度系數(shù)R2=0.999 9。設(shè)計的智能傳感系統(tǒng)，電路簡單、所需元器件少、測量精度良好，可實現(xiàn)實時測溫、超限報警和語音播報等功能，可廣泛地應用于溫度測量和性價比要求較高的應用領(lǐng)域。

圖6 實驗測量溫度值與參考值對比分析結(jié)果

2 總結(jié)和展望

“光電信息科學與工程”專業(yè)是一門集光學、電子學、信息科學和工程科學的多學科交叉融合專業(yè)，具有較強的綜合性和實踐性。圍繞CDIO國際教育模式中強調(diào)的主動性、實踐性、課程之間有機聯(lián)系性的教學方式，以現(xiàn)實生活中眾多領(lǐng)域需求的智能溫度測控需求為研究案例，利用商業(yè)化元器件和傳感器結(jié)合可編程單片機和LabVIEW軟件開展了智能溫度傳感系統(tǒng)的自主設(shè)計和實驗研究，通過實現(xiàn)傳感器信號的測量、采集、通訊、分析處理和實時顯示、存儲等過程，提升學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力，為有效推進高校工科專業(yè)實踐教育課程教學改革提供一定的參考和借鑒作用。