測控技術與儀器專業綜合課程設計分析

摘要：為加強測控技術與儀器專業學生的動手能力和實踐經驗，具有獨立設計先進的儀器和自動測試系統的能力，開設了“綜合課程設計”這門課。現以“智能電子秤”的設計為例，介紹如何逐步引導學生完成綜合課程設計的一種具體做法，包括設計目標、設計要求、設計內容和實施方法等。實踐證明，這些措施能激發學生自主學習的積極性，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：單片機；電子秤；測控技術與儀器；課程設計

作者簡介：白潔（1968-），女，陜西西安人，西安交通大學電氣工程學院，高級工程師。（陜西 西安 710049）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0085-02

測控技術與儀器專業是由教育部在1998年把計量儀器、光學儀器、計時儀器、分析儀器、熱工儀表、航空儀表、電子測量儀器等11個儀器儀表類的專業合并而成的，發展至今已成為一門實用性非常強的學科。[1]它專業口徑寬，涉及知識面廣，整合了多個專業方向的知識，主要包含了電子、機械、計算機等方面。測控技術與儀器專業綜合課程設計是西安交通大學測控專業大學四年級必修的一門專業課程，旨在提高學生綜合應用所學專業基礎理論，獨立設計、構建、調試儀器與檢測系統的能力，強化對儀器與檢測系統工程的感性認識，培養學生在系統分析、設計、開發與研究等方面的基本能力。[2]

一、綜合課程設計實訓方案

測控專業綜合課程設計被安排在大四的第一學期，是在所有必修課程和絕大多數選修課程學習完成后開設的，是對“模擬電子技術基礎”、“數字電子技術基礎”、“傳感器原理及應用”、“電路分析”、“智能儀器”和“數字信號處理”等課程知識的進一步理解、鞏固、加深和應用。

測控專業綜合課程設計共64學時，其中上課16學時，實驗48學時。上課部分是由老師各用2學時把各自的研究方向、在研課題以及相關理論向學生進行介紹和講解，學生再結合自己的興趣、能力選擇課程設計的指導教師，教師以此為據分配課程設計的題目，提出具體要求，學生獨立完成課程設計。指導教師和學生之間是雙向選擇，調動了學生自主學習的積極性。

綜合課程設計是實踐教學環節中除畢業設計的一次較大型實踐訓練，從元器件的選型到系統的構建以及放大、調理電路的選擇與搭建、數據的采集及調試、接口程序的編制等全由學生自己去完成，而教師只起引導作用。這樣，學生在完成實驗后，不僅在系統設計能力、硬件選擇能力和系統構建能力等方面大大增強和提高外，自信心和成就感也得到極大加強。[3]學生第一次遇到這種綜合性強、設計的靈活性也較大的實踐項目，要在48學時內完成是有一定難度的。首先對實驗室實行了開放式管理，學生可根據自己情況自主選擇實驗時間。其次，為了引導學生盡快進入課題，將設計目標細化，分為幾個小目標，學生可根據自己的實際情況一步一步完成，最后進行綜合。本文以選題之一的“智能電子秤”的設計為例，介紹其實施的具體方案。

1.“智能電子秤”設計目標

“智能電子秤”的設計這個項目雖然功能簡單，但涉及了從傳感器電路、信號處理電路到顯示電路的整個測量系統組建的相關知識。通過該項目使學生掌握智能儀器設計的總體思路和方法，將所學的基礎知識進行綜合應用，理論和實踐相結合，培養學生的發現問題、分析問題和解決問題的能力。“智能電子秤”的設計目標：量程0～6.0kg，準確度1%，分辨力5g，輸出方式為4位LED顯示，并具有量程變換和超重報警功能。

2.總體方案設計

根據設計目標，學生在查閱大量相關資料的基礎上，采用模塊化的總體設計方案。把“智能電子秤”的總目標分解為5個內容相對單一的小目標，包括了軟硬件兩大部分：查閱相關資料，確定智能電子秤總體方案；搭建活塞壓力計YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成的傳感器電路；使用protel對單片機C8051f020構成的信號處理及數碼管顯示電路進行硬件設計；使用C語言進行程序設計，并使用keil c51仿真；對電子秤進行系統性能測試。智能電子秤組成框圖如圖1所示。

測量系統的組建這部分內容是已經學習過的“電氣測量技術“課程的核心內容，學生通過自主設計，結合相關的理論知識，就可以很好地完成這部分設計。通過實踐驗證了相關的理論知識，可以激發學生進行探索的積極性。

3.“智能電子秤”硬件電路的設計

由圖1可知，智能電子秤由壓力傳感器、信號調理電路、具有AD轉換功能的單片機和顯示等4個部分組成。

（1）壓力傳感器電路：選擇的是實驗室現有的由活塞式壓力計YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成，其中壓力計和傳感器是集成到一起的，可直接使用。

（2）調理電路：包括差動全橋、放大電路和濾波電路三部分組成。與壓阻式壓力傳感器相配的調理電路采用恒流源供電的差動全橋，其中供電電流為14mA。單片機的AD轉換基準電壓是2.403V，而壓阻式傳感器的輸出信號為–5～55mV，這就需要對傳感器的輸出信號進行放大處理。根據計算可得放大器的放大倍數為25左右比較合適。傳感器的輸出阻抗很高，要求放大電路須有更高的輸入阻抗，不從傳感器輸出端吸收電流，以免破壞傳感器的工作狀態。學生選擇的AD620儀用放大器特點為：差動輸入，單端輸出，電壓增益連續可調，并有效地解決了后級負載對地連接的問題。另外在AD620的輸入與地、輸出與地之間都接了10 F的濾波電容，增強抗干擾能力。

（3）AD轉換電路：電子秤設計要求的分辨力為5g，量程為0～6.0kg，即可算出需要12位的AD轉換，所以選擇單片機C8051f020的12位AD來完成。

（4）顯示電路：將單片機分析處理的數據顯示出來，利用集成的四位共陽極數碼管顯示。數碼管的位選是單片機的P0.0–P0.3端口，段選是單片機的P0.0–P0.7端口，采用的是動態顯示。

學生最終完成的電子秤的硬件電路圖如圖2所示。

4.“智能電子秤”軟件部分設計

智能電子稱是采用Keil C51單片機軟件開發系統進行程序編寫，實現電壓信號采集、12位AD轉換、數據處理及四位數碼管顯示等功能。同時也在程序中加進了兩個智能化功能：超重顯示和量程變換。程序的流程圖如圖3所示。

二、電子秤的靜態性能評價

這一部分內容對測控專業的學生來說是很重要的，它有助于學生判定所設計的儀器能否達到系統設計要求。通過分析可得，用于靜態稱重的電子秤主要誤差來源有：壓力傳感器、傳感器輸出信號的處理系統（包括前置放大器、A/D轉換器和機械承重系統等）。其中機械承重系統的誤差、電源波動引入的誤差以及稱重傳感器與測量線路引線帶來的等不易定量計算誤差可通過合理的設計、安裝來削弱，并在誤差分配時給予一定的冗余量來保證。[4]該電子秤的系統的量程為6.0kg，在滿量程范圍內標定點數l=7，正反行程循環次數n=4，標準砝碼提供的標準值，總計標定值的個數N=56，如表1所示。xj表示標準重量，mj表示顯示的重量，單位均為kg。

最后通過計算可得該電子秤的各靜態性能指標：擬合直線方程：采用最小二乘法得擬合直線方程，，

可得測量系統零點為；獨立線性度：=0.15%；滯后：=0.30%；重復性：取置信因子K=3，置信度為99.73%時的重復性=0.27%；準確度：在傳感器或含有傳感器的測量系統中，通常用精度A來表征準確度，它由線性度、遲滯、與重復性之和得出，即A=++=0.15%+0.30%+0.27%=0.72%；最大引用誤差=0.33%。由此可確定，智能電子秤滿足設計要求，其準確度是0.72%，可評定為Ⅳ級。

通過對“智能電子秤”的設計和制作，學生把學到的課本知識和實踐相結合，對所遇到的困難能夠積極解決，比如在發現測量誤差比較大時，找原因，了解誤差的來源。這一切都表明學生能夠自主學習，而不是等著老師來解決問題。學生一旦能自己找到問題并解決，就會提升自信心，激發了學習的積極性。“智能電子秤”雖然是一套由傳感器和單片機構成的簡單智能儀器，但也充分體現了智能儀器的普遍設計思路和方法，為以后復雜智能儀器的開發打下了基礎。

三、結論

測控技術與儀器專業綜合課程設計已開出了5屆，實踐表明該課程的開設是較為成功的，有效培養了學生的實踐能力和工程意識，提升了學生的專業認同度和學習積極性。學生根據自己的興趣和能力選擇課程設計的題目，更能激發自主學習的積極性，有助于學生有效地掌握所學知識，縮短從理論知識到實際應用的過程，使學生得到了一次完整的系統性的工程實戰訓練，大大加強了對理論知識的融會貫通和對實踐動手能力的鍛煉，為后續的畢業設計以及為將來走入科研工作崗位打下了一定的基礎。

參考文獻：

[1] 朱維斌，趙軍，陸藝.測控技術與儀器專業傳感器系列課程設計實驗環節探討[J].中國現代教育裝備，2010，（21）：118-119.

[2]向欣，王永驥.測控與自動化專業綜合課程設計實例[J].實驗室研究與探索，2008，（8）：119-122.

[3]曹建安，楊爽.測控技術與儀器專業教學改革思考[J].電氣電子教學學報，2010，（4）：4-6.

[4]劉君華，申忠如，郭富田.現代測試技術與系統集成[M].北京：電子工業出版社，2005.

（責任編輯：王意琴）