基于Proteus仿真的《智能儀表原理與設(shè)計(jì)》項(xiàng)目式教學(xué)研究

岳大靈，魏列江，劉增光

(蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州)

一 引言

《智能儀表原理與設(shè)計(jì)》課程是測(cè)控、電氣及相關(guān)專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，具有很強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性。但是本課程內(nèi)容抽象、邏輯性及綜合設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，理論知識(shí)難學(xué)難理解，讓學(xué)生望而生畏[1,2]。項(xiàng)目式教學(xué)是在教師引導(dǎo)下，設(shè)置一些實(shí)際或虛擬項(xiàng)目，把該課程中所要講授的基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理及與其對(duì)應(yīng)的實(shí)踐部分融合在一起，通過項(xiàng)目實(shí)施的過程完成教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目主動(dòng)獲取相關(guān)知識(shí)的教學(xué)方法[3-5]。本文采用Proteus仿真軟件對(duì)智能儀表原理與設(shè)計(jì)課程進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)研究，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中學(xué)生利用Proteus仿真軟件進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和仿真，能夠把理論和實(shí)踐結(jié)合起來，使得教學(xué)內(nèi)容更形象化，同時(shí)可以節(jié)省制作成本，學(xué)生還可以根據(jù)仿真結(jié)果和評(píng)價(jià)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

二 Proteus軟件介紹

Proteus是由英國Labcenter Electronics Ltd.開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。Proteus 最大的特點(diǎn)是基于微控制器的設(shè)計(jì)，還可以連同外圍電路一起仿真，可直接在單片機(jī)虛擬系統(tǒng)上對(duì) MCU 編程，并可對(duì)軟件源代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試[6,7]。另外，它具有電路互動(dòng)仿真功能，通過動(dòng)態(tài)外設(shè)模型，如鍵盤、LED/ LCD 等，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)輸入、輸出結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)交互仿真，或配合 Proteus 配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，使單片機(jī)虛擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。在Proteus中，從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計(jì)一氣呵成，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)[8]。

三 項(xiàng)目單元的教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)大綱，把智能儀表原理與設(shè)計(jì)課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容分解成若干個(gè)項(xiàng)目單元。項(xiàng)目的設(shè)置上主要按照循序漸進(jìn)的原則，逐步加深課程內(nèi)容，注意前后項(xiàng)目之間的銜接與穿插，強(qiáng)化基本概念、基本原理的應(yīng)用。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)注重工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐的意識(shí)，并有利于清晰基本理論。每個(gè)項(xiàng)目單元由項(xiàng)目任務(wù)、知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)、項(xiàng)目的實(shí)施等過程組成，讓學(xué)生全程參與整個(gè)項(xiàng)目過程，學(xué)生會(huì)將學(xué)習(xí)置于實(shí)際情景中，與團(tuán)隊(duì)伙伴合作，有目的地獲取知識(shí)，主動(dòng)與教師溝通，隨即將所獲取的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。首先老師給出項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目的任務(wù)的要求，分析任務(wù)、查閱資料、提出項(xiàng)目建議、完成項(xiàng)目策劃、分組討論、確定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案；學(xué)生分工合作完成硬件電路的設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行Proteus仿真；學(xué)生利用PPT和仿真演示的形式分組報(bào)告，各組之間進(jìn)行相互評(píng)價(jià)，以達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的。老師根據(jù)學(xué)生討論結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，指出本項(xiàng)目的主要內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握與應(yīng)用。每個(gè)項(xiàng)目單元的教學(xué)過程都明確教師和學(xué)生的活動(dòng)內(nèi)容，詳細(xì)說明每個(gè)過程的具體教學(xué)內(nèi)容，具體流程如圖1所示。

四 利用 Proteus 進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)例

（一） 項(xiàng)目任務(wù)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一套智能溫濕度測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一路溫度和濕度信號(hào)的采集，經(jīng)單片機(jī)處理后把測(cè)量結(jié)果經(jīng)LCD顯示器顯示，溫度和濕度上限和下限可以調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得溫濕度超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)警并啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)通風(fēng)降溫去濕，恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)后通風(fēng)機(jī)停止，并利用Proteus進(jìn)行仿真調(diào)試。

（二） 知識(shí)目標(biāo)

掌握鍵盤、顯示器的原理及硬件電路設(shè)計(jì)；掌握A/D轉(zhuǎn)換的原理及與單片機(jī)的連接；掌握單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；掌握單片機(jī)通信接口的原理及其 應(yīng)用。

（三） 技能目標(biāo)

通過項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)施能夠利用Proteus軟件進(jìn)行智能儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真，能夠進(jìn)行分工合作，能夠利用PPT進(jìn)行匯報(bào)演講。

（四） 項(xiàng)目實(shí)施

①系統(tǒng)的總體方案

根據(jù)項(xiàng)目的任務(wù)的要求，學(xué)生分析任務(wù)、查閱資料、提出項(xiàng)目建議、完成項(xiàng)目策劃、分組討論、確定項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)方案，畫出系統(tǒng)的總體框圖，如圖2所示。

②硬件電路的設(shè)計(jì)

學(xué)生根據(jù)自己的分工完成系統(tǒng)各自部分的硬件設(shè)計(jì)，包括溫度信號(hào)的采集及處理電路、濕度采集信號(hào)的采集及處理電路、鍵盤電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路、上位機(jī)通信電路、時(shí)鐘復(fù)位電路和電源電路等硬件電路的設(shè)計(jì)，部分硬件原理圖如圖3、圖4所示。

③程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)部分，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，先合作完成主程序的設(shè)計(jì)，然后學(xué)生可以進(jìn)行分工，各自負(fù)責(zé)部分模塊的程序設(shè)計(jì)。主程序流程如圖5所示。

④仿真調(diào)試

利用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真圖的繪制，然后在keil-c里面編寫調(diào)試好的程序生成HEX文件加載到仿真電路里并進(jìn)行仿真，通過多次調(diào)試達(dá)到最好的效果。仿真圖如圖6所示。

⑤分組報(bào)告及評(píng)估

學(xué)生利用PPT和仿真演示的形式分組報(bào)告，各組之間進(jìn)行相互評(píng)價(jià)，以達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的。老師根據(jù)學(xué)生討論結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，指出本項(xiàng)目的主要內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握與應(yīng)用。

五 總結(jié)

本文首先從工程應(yīng)用出發(fā)，以學(xué)生為中心，對(duì)智能儀表原理與設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了項(xiàng)目單元的教學(xué)設(shè)計(jì)。然后通過一個(gè)項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)例說明了利用Proteus仿真軟件進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)的設(shè)計(jì)及實(shí)施過程。實(shí)踐證明，采用這種方法不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)儀器和元器件缺乏帶來的不足，幫助學(xué)生更好、更靈活的搭建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力；同時(shí)把枯燥、抽象的知識(shí)通過實(shí)際項(xiàng)目融入到教學(xué)中，做到理論知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，通過相應(yīng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)踐來檢驗(yàn)知識(shí)掌握程度，整個(gè)教學(xué)過程學(xué)生都積極參與，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和教學(xué)效果得到很大的提升。本文在蘭州理工大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目的支持下進(jìn)行的。