基于Proteus仿真技術(shù)在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

李旭航

摘 要

針對傳統(tǒng)傳感器課程教學(xué)中存在的問題，提出了應(yīng)用Proteus仿真軟件進(jìn)行傳感器教學(xué)的思路，并通過實(shí)例講解使用Proteus提供的仿真技術(shù)進(jìn)行傳感器電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其綜合分析與研判能力，并能夠節(jié)約教學(xué)成本，增強(qiáng)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞

傳感器;Proteus;仿真

中圖分類號： TP212-4;G434 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.005

0 引言

傳感器技術(shù)及其相關(guān)課程是理工大學(xué)自動化、物聯(lián)網(wǎng)及電氣機(jī)械等專業(yè)的核心課程。又是理論與實(shí)踐結(jié)合比較強(qiáng)的專業(yè)課。本課程涉及的知識點(diǎn)多、范圍較大， 基于傳感器的應(yīng)用場合十分廣泛，不同類型的傳感器教學(xué)內(nèi)容相對獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)性和延續(xù)性。因此決定了該課程與實(shí)際工作環(huán)境結(jié)合非常緊密，并且傳感器學(xué)習(xí)中涉及的電路分析比較多，但有時課堂條件又不允許占用太多時間用于實(shí)物電路的構(gòu)建及演示，以上特點(diǎn)決定了在傳感器教學(xué)中的難點(diǎn)較多及直觀性不足。作為對策，在傳感器教學(xué)中引入Proteus仿真軟件，設(shè)立虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)的教學(xué)方法不足的同時，為理論和實(shí)踐教學(xué)提供可靠的教學(xué)平臺。

1 傳感器傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

（1）理論教學(xué)存在的問題傳感器課程涉及的知識面廣、部分內(nèi)容比較枯燥，對抽象思維和綜合分析思維要求較高，學(xué)生感到難入門、老師感到難教學(xué)。因此在教學(xué)過程中就非常有必要將教學(xué)效果更加直觀地展示給學(xué)生。以往，教師一般會把課件和視頻教學(xué)應(yīng)用在課堂教學(xué)上。但缺乏變化效果往往不理想。所以傳統(tǒng)教學(xué)缺乏有效的能實(shí)時反應(yīng)傳感器工作過程變化的演示方法，基本是純理論的語言描述，缺乏直觀對象的載體，讓學(xué)習(xí)者不好理解。

（2）實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題。大多數(shù)學(xué)校的傳感器實(shí)踐環(huán)節(jié)使用面包板或者萬能板制作應(yīng)用電路，這種實(shí)驗(yàn)方法雖然簡單方便，但是也存在不足。首先，采用實(shí)物元器件構(gòu)建實(shí)訓(xùn)電路，由于人為操作或元器件壽命老化等原因，必然會導(dǎo)致元器件或?qū)嶒?yàn)儀器的損壞，增加教學(xué)成本;其次，設(shè)計(jì)的傳感器電路多種多樣，涉及的元器件種類繁多，全元器件準(zhǔn)備不太現(xiàn)實(shí)，只能準(zhǔn)備常用的電子元件，采購急需使用的元件存在時間的滯后，因此對實(shí)踐內(nèi)容造成了很大的制約;最后，實(shí)訓(xùn)電路的構(gòu)建只能在實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行，實(shí)訓(xùn)室預(yù)約困難及課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)時間有限，傳統(tǒng)的實(shí)物元器件實(shí)訓(xùn)也限制了學(xué)生在課后進(jìn)行傳感器電路構(gòu)建的學(xué)習(xí)。因此傳統(tǒng)的傳感器實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在著很大的不足。

2 Proteus在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在教學(xué)中引入"以培養(yǎng)核心能力為目標(biāo)"的項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)，是把某一專業(yè)課程分類成若干技術(shù)或技能單元，把每項(xiàng)技術(shù)或技能單元作為一個教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)行理論、實(shí)踐一體化的單元式教學(xué)，各單元的教學(xué)都應(yīng)用該技術(shù)或技能完成工作，并對其進(jìn)行分析。簡單來說，項(xiàng)目教學(xué)是教師和學(xué)生為完成具體工作任務(wù)而開展的教學(xué)行為。項(xiàng)目教育是一種方法，也是一種方案。其目的是有機(jī)地結(jié)合理論和實(shí)訓(xùn)于教學(xué)過程中，挖掘?qū)W生的潛力，訓(xùn)練學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。

要注意的是，在應(yīng)用項(xiàng)目教學(xué)法學(xué)習(xí)傳感器的過程中，學(xué)生首先必須對傳感器與電子元器件具備一定的知識和了解，并且比較熟悉軟件Proteus的一般操作，也就是能將傳感器的具體電路通過軟件Proteus繪制出來，而不用制作具體的電路板，使項(xiàng)目實(shí)施更加快捷、方便和經(jīng)濟(jì)。

2.2 將 Proteus引入傳感器課堂教學(xué)

首先，在傳感器課堂教學(xué)中引入Proteus輔助教學(xué)，可以進(jìn)行大量實(shí)例仿真演示，將原本用語言描述不夠詳細(xì)的內(nèi)容，直觀地仿真出來，特別不容易感知的如電流、電壓大小的變化，可以通過Proteus自帶的虛擬儀表顯示出來，提高了教學(xué)過程的生動性和直觀性。還可以通過提前制作一些典型的應(yīng)用電路，比如電阻直流電橋電路、光耦器件電路、光敏電阻電路等，學(xué)生可以直觀地觀察傳感器的工作原理。其次，Proteus具有色塊狀態(tài)輔助功能。在仿真過程中，管腳旁邊小方塊的顏色顯示其電平狀態(tài)：如紅色代表“1”，藍(lán)色代表“0”，灰色代表高阻狀態(tài)，黃色則表示沖突。輔助色塊便利了用戶的調(diào)試、分析和演示。同時，采用Proteus輔助教學(xué)有利于學(xué)生明確概念，解決學(xué)習(xí)難點(diǎn)。在傳感器教學(xué)中，用于處理傳感器輸出的信號處理電路，由于信號處理電路的多樣性、實(shí)物構(gòu)筑的復(fù)雜性和為成本考慮的經(jīng)濟(jì)性，往往成為教育上的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)更多的是從原理上對其進(jìn)行定性的分析講解，學(xué)生學(xué)習(xí)時不夠直觀。引入Proteus輔助教學(xué)后，就可以自由構(gòu)建傳感器的信號處理電路，如圖1所示信號放大電路等。還可以自由更換電子元器件如運(yùn)算放大器芯片的型號、電源供電方式等，以達(dá)到電路的對比及性能指標(biāo)的要求。如原電路采用的運(yùn)算放大器是LM358N，可以更換為LM324;原電路是+12v單電源供電，可以更改為±12v雙電源供電等。同時通過投影演示等方法給學(xué)生觀察運(yùn)行結(jié)果。待工程文件分發(fā)后，學(xué)生也可以自行對電路進(jìn)行改進(jìn)，學(xué)生參與操作仿真，顯示直觀清晰，學(xué)生通過參與操作和觀察結(jié)果，不僅掌握了知識點(diǎn)，也提高了學(xué)習(xí)的能動性，能獲得更加良好的教學(xué)效果。

2.3 用Proteus改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)

采用仿真軟件Proteus構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，由于軟件所帶元件庫元器件比較充分， 這樣使得Proteus幾乎可以仿真?zhèn)鞲衅髡n程的所有知識點(diǎn)，運(yùn)用時就具有較大的靈活性和較寬的適應(yīng)性，這就為傳感器的實(shí)踐教學(xué)帶來很大優(yōu)勢。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可靈活采用Proteus所提供的元器件仿真模型和自定義模型設(shè)計(jì)硬件電路圖，同時進(jìn)行仿真調(diào)試，并能及時看到運(yùn)行結(jié)果。這樣的教學(xué)方法一方面讓學(xué)生了解傳感器電路的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力得到了鍛煉;也給學(xué)生提供了較大的自我學(xué)習(xí)空間。例如：I/V轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)建，利用了運(yùn)算放大器構(gòu)建了一個傳感器應(yīng)用里面常用的將4～20mA電流轉(zhuǎn)換為0～+5v的電路。以前的教學(xué)實(shí)踐是直接采用實(shí)際元器件在電子"面包板"上進(jìn)行構(gòu)建。鑒于元器件、導(dǎo)線和"面包板"天然經(jīng)常性的接觸不良、學(xué)生接線錯誤及元器件損壞等原因，最終成功率普遍不高。采用Proteus軟件的虛擬元件及仿真功能后，杜絕了元器件間連線的接觸不良及元件損壞的干擾，成功率大幅提高。圖2，I/V轉(zhuǎn)換電路。Proteus仿真動態(tài)直觀，測量和調(diào)試統(tǒng)一，過程和結(jié)果統(tǒng)一，有助于學(xué)生的感性理解和接受。學(xué)生增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的信心，多個學(xué)習(xí)難點(diǎn)逐步在實(shí)踐中得到解決。

在教學(xué)中引入Proteus仿真軟件，減少了學(xué)習(xí)過程的設(shè)備限制和時間限制，擴(kuò)大了學(xué)習(xí)的時間和空間。只要有電腦，學(xué)習(xí)者就可以充分利用課余時間在自己的電腦上隨時進(jìn)行學(xué)習(xí)和仿真。節(jié)省了大量的元件和設(shè)備的投資。還能避免實(shí)訓(xùn)的各種危險。同時，還可以拓展開放性的教學(xué)。開放式教學(xué)主要包括兩種形式：一是實(shí)訓(xùn)課沒有完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或者是雖然完成了，但是還存在疑問的。二是對傳感器學(xué)習(xí)感興趣，在原有傳感器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在老師的指導(dǎo)下，自己動手設(shè)計(jì)進(jìn)行其他傳感器電路的分析與開發(fā)的，拓展學(xué)生的課外學(xué)習(xí)內(nèi)容，鼓勵學(xué)生參加科技興趣小組活動。

3 Proteus的教學(xué)應(yīng)用效果

沒有應(yīng)用Proteus前，學(xué)生普遍反映傳感器內(nèi)容難學(xué)難記，引入Proteus仿真教學(xué)后，學(xué)生比以往更容易接受單純的理論知識學(xué)習(xí)。Proteus使抽象內(nèi)容形象化，使重點(diǎn)易懂，難點(diǎn)更容易化解。其極為真實(shí)的動態(tài)演示激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使教學(xué)質(zhì)量提高明顯。引入Proteus使每個學(xué)生只需擁有個人電腦就能擁有一個完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可在Proteus原理圖設(shè)計(jì)窗口中大膽進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和調(diào)試，而不用擔(dān)心會損壞電子元件和儀器儀表。實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果統(tǒng)一，在制作實(shí)物電路前就可以看到仿真結(jié)果， ，保證了成功率的很高。學(xué)生的膽子變大了，獨(dú)立操作能力、學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造力都得到了充分發(fā)揮。

因此，Proteus仿真促使了傳感器實(shí)訓(xùn)課程的成功，提高了學(xué)生對傳感器電路的深入理解、也提高了學(xué)生對傳感器電路的設(shè)計(jì)和制作調(diào)試能力。事實(shí)充分證明： Proteus是學(xué)生在傳感器學(xué)習(xí)中學(xué)與用、理論與實(shí)踐相結(jié)合的優(yōu)秀學(xué)習(xí)平臺。

4 結(jié)束語

Proteus的操作簡單易上手，對初學(xué)者特別適用，其革命性地改變了傳統(tǒng)電子電路的學(xué)習(xí)和開發(fā)方式，大部分情況下可以在沒有硬件支持的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字及模擬電路的設(shè)計(jì)開發(fā)，大幅縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了開發(fā)成本。Proteus在傳感器及相關(guān)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)的有效應(yīng)用，使得學(xué)生較為高效地掌握所學(xué)知識，減少了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中從理論知識到實(shí)際應(yīng)用過渡的時間，提高了學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)了課程學(xué)習(xí)和教學(xué)改革，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。但必須明確，仿真只是無限接近結(jié)果但并不能完全代替實(shí)物驗(yàn)證，只有將Proteus的仿真結(jié)果指導(dǎo)應(yīng)用于具體電路的學(xué)習(xí)和開發(fā)，才能真正提升學(xué)生的電子電路綜合開發(fā)和傳感器應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)

[1]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等.Proteus教程——電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]苗玲玉.傳感器應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]陳圣林，王東霞.圖解傳感器技術(shù)及應(yīng)用電路[M].北京：中國電力出版社，2016.

[4]李響初，龔建軍.電子電路精選圖集500例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.