基于Proteus的傳感器與檢測技術課程教學改革研究

◆王君瑞

基于Proteus的傳感器與檢測技術課程教學改革研究

◆王君瑞

針對傳感器與檢測技術課程傳統課堂教學只注重理論教學、實驗教學偏重驗證性實驗的問題，利用Proteus軟件對傳感器與檢測技術課程的各個相關教學環節進行設計。教學實踐情況表明：將Proteus軟件引入“傳感器與檢測技術”教學環節中，不僅能夠進一步激發學生的學習興趣，而且有利于培養和提高學生綜合分析、解決問題的能力。

傳感器與檢測技術；Proteus；實驗教學

1 前言

隨著時代及科技進步、經濟的發展，高等教育所處的內外環境發生巨大變化。當前對于人才素質的培養需要日漸多樣化。國內外公認傳感器與檢測技術不僅是構成現代信息技術的三大支柱之一，而且是最有發展前途的高科技產業。因此，當前普通高等學校自動化、測控技術與儀器、電子信息工程及電氣技術等專業將傳感器與檢測技術課程設置為專業基礎必修課。

傳感器與檢測技術課程是涉及電學、磁學、光學、力學、材料、化學、計算機技術等眾多學科的交叉學科，其內容繁雜，是后續專業課程如單片機、自動控制等課程學習和專業技能培養的基礎。從工程實施的角度來看，傳感器與檢測技術通常分類講述各種測量傳感器的工作原理、測量電路、選型及實際應用，以及工程應用中常見的溫度、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用場合而言，其內容是相互獨立的。

傳感器與檢測技術課程的傳統課堂教學過程，主要是對各類傳感器的物理性質、工作原理及簡單生活應用進行講解。由于大部分學生都是初次接觸相關傳感器的知識，從而缺乏感性認識。另外，實驗環節通常由試驗箱來完成，學生通過連接導線、運行儀器，從而觀察結果，缺乏對自主學習的訓練，難以調動學習積極性。基于傳感器與檢測技術課堂教學、實驗教學中的不足，結合實際教學經驗，將仿真軟件Proteus引入該課程教學中，對課堂教學、實驗教學、考核方式都重新進行設計，從而彌補傳統教學過程中存在的諸多不足及條件限制。

2 Proteus仿真在課堂、實驗教學中的應用

Proteus仿真軟件特點 1989年，英國Labcenter Electronics公司開發了一款用于電子電路和單片機系統的仿真工具軟件——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、信號發生器等，不僅可以滿足單片機軟件仿真系統的標準，而且可以進行模擬分析、數字仿真、混合信號分析及邏輯分析等。

將Proteus引入到課堂、實驗教學 Proteus軟件提供了傳感器庫，對于工程應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。課堂教學中，教師在講授課程理論的同時，利用Proteus軟件將設計好的各類傳感器進行效果演示。同時，對傳感器系統中的各種傳感器、單片機等，可分別講解各功能模塊的作用，使學生對于設計一個完整傳感器系統的各功能模塊有更直觀、清晰的認識。對于實驗教學，大部分普通高等學校都采用傳感器試驗箱來完成，通常實驗教學以驗證性實驗和演示性實驗內容居多。將Proteus軟件引入實驗教學中，可以借助Proteus所提供的元器件和外設模型，選擇各種傳感器、CPU進行各種原創實驗設計，使學生能自主進行傳感器系統的設計，提升學生機電設計的水平和能力。

利用Proteus設計改進課程的考核方式 傳統傳感器

與檢測技術教學過程中，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，學生憑借記憶背誦、理論推導、公式計算就可以拿到高分。另外，采用一卷考核，考核內容不可能含括傳感器與檢測技術教學中的全部內容，這必然會造成考核結果存在偶然性，不能有效、真實地考核學生平時學習中對課程知識和技術的掌握程度。為此利用Proteus仿真改進傳感器與檢測技術的考核方式，采用“試卷成績+Proteus仿真設計+實驗成績”累加式的考核方式，真正有效培養和提高學生綜合分析、解決問題的能力。

作者：王君瑞，北方民族大學電氣信息工程學院副教授，研究方向為電力電子技術（750021）。

3 Proteus仿真在教學中的實踐

課題：溫度測量系統的設計 溫度是一個表征物體或系統冷熱程度的重要物理量，是工業生產過程中的主要工藝參數，在電飯煲、空調、電阻爐、報警器、工業現場等場合中都有應用。在課堂教學中，通常介紹三類常用溫度傳感器的工作原理，以及根據實際系統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其電阻值隨溫度而變化的特性，掌握熱電阻相關電橋測溫原理；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，學會使用熱電偶分度表，掌握熱電偶的使用方法。在實踐教學中，要求學生能夠根據設計要求選用合適的溫度傳感器，并完成相應溫度測量電路的設計與實現，通過硬件實現。設計題目確定后，組織學生分組討論設計中傳感器的選型、溫度測量電路的設計，最終利用Proteus軟件實現電路設計的仿真。

教學目標 通過此次教學活動，學生應掌握所用元器件的工作原理，認識并熟知各種器件相關技術參數，學會搭建各種傳感器的測量電路和補償電路，熟練查閱熱電偶和熱電阻的技術手冊，學會記錄并分析實驗數據。

仿真調試 根據前期的調研、查閱資料并組織學生討論，最終確定每種傳感器測溫的典型電路。本實例采用熱電偶測溫電路，采用J型熱電偶作為敏感元件進行接觸式測量。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換為數字信號，則該微弱信號極有可能被系統本身的紋波所淹沒，因此必須進行信號調理，即將待測信號通過放大、濾波等操作，得到適合的輸出信號。

本仿真設計的溫度調理電路采用雙電源、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，并把溫度信號轉換為相應的熱電動勢信號輸出，該信號經過后續一級差分放大、二階低通濾波兼二級放大后輸出的電壓值滿足AD轉換所需要的電壓范圍0～5 V的要求：0 ℃時輸出0 V，1000 ℃時輸出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。

相關溫度測量電路設計完成后，可以打開Proteus軟件，首先在Transducer庫中選擇所需傳感器模塊，相關溫度調理電路所需元器件，按照設計要求連接元器件組成電路，即完成仿真電路圖的繪制。由于該設計由硬件設計完成，完成仿真電路圖后即可進行仿真測試。如果設計中需要進行軟件設計，可在Keil集成開發環境下使用C語言編制程序和編譯，程序調試通過后生成一個后綴名為.hex的文件，以備仿真時調用。

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 結束語

將Proteus軟件引入傳感器與檢測技術課程教學各環節，可以有效地彌補傳統課堂教學、實驗教學的不足，在一定程度上擺脫了各類傳感器實驗中對于傳統硬件條件的局限。另外，Proteus仿真設計的項目大多與學生日常生活密切相關，并蘊含工業應用系統設計思路。利用Proteus軟件完成一個傳感器系統或完成一個測量電路，使學生對此保持濃厚的學習興趣，增強了認知能力和實踐能力。今后還需繼續探索，不斷優化和更新教學內容，進行教學改革，增強教學效果。

[1]楊黎.基于C語言的單片機應用技術與Proteus仿真[M].長沙:中南大學出版社有限責任公司,2012.

[2]袁向榮.項目驅動教學法在“傳感器與檢測技術”課程中的應用[J]．中國電力教育,2011(26):92-93．

[3]鄭春嬌.“傳感器與檢測技術”教學與考試方法改革的幾點措施[J].遼寧工業大學學報:社會科學版,2011,13(3): 128-130.

[4]徐科軍.“傳感器與檢測技術”課程建設探討[J].電氣電子教學學報,2009,31(3):23-24.

[5]華亮.非測控專業傳感器與檢測技術系列課程教學資源建設與實踐[J].中國教育技術裝備,2009(24):37-38.

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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

B

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