單片機(jī)受力檢測系統(tǒng)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

[摘 要] 傳感器與檢測技術(shù)課程的教學(xué)一直存在一個(gè)問題，就是概念化、理論化的知識與應(yīng)用的脫離，為此結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變片傳感器知識的講解和相關(guān)電子EDA課程知識，設(shè)計(jì)一款應(yīng)力應(yīng)變傳感器單片機(jī)檢測系統(tǒng)。并將其以教學(xué)案例的方式融入傳感器及相關(guān)課程教學(xué)中，讓學(xué)生在應(yīng)用與動(dòng)手實(shí)訓(xùn)中掌握相關(guān)理論，并提升相關(guān)技能。采用形象生動(dòng)的方式，完成了知識與應(yīng)用的結(jié)合。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在相關(guān)知識的掌握、知識的綜合運(yùn)用、對問題的分析能力等方面都有很大提升。

[關(guān)鍵詞] 傳感器;單片機(jī);受力檢測

[基金項(xiàng)目] 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（1021zk191402004）

[作者簡介] 沈希忠（1968—），男，教授，博士，研究方向?yàn)闄z測、信號處理。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0271-03? ? [收稿日期] 2019-11-10

目前，在教學(xué)過程中采用案例教學(xué)已經(jīng)成為教學(xué)的一種慣例[1-2]。傳感器與檢測技術(shù)是上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電子信息專業(yè)、自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化等工程類專業(yè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)課程，這門課程涉及物理、電路、機(jī)械等基礎(chǔ)理論知識，與多門學(xué)科知識有關(guān)，實(shí)踐中需要相互結(jié)合才能應(yīng)用，在教學(xué)中常常局限于抽象的理論分析和片面的講解，很難與具體應(yīng)用結(jié)合[3-4]。本案例設(shè)計(jì)將受力檢測系統(tǒng)結(jié)合到教學(xué)中，運(yùn)用實(shí)例使傳感器形象化，結(jié)合電子CAD設(shè)計(jì)、單片機(jī)設(shè)計(jì)，加深對本課程理論和實(shí)踐的理解。

受力檢測系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用廣泛，生活中也隨處可見。從實(shí)現(xiàn)的基本原理到系統(tǒng)模塊的組成到元器件的選取都不盡相同。從教學(xué)可行性角度考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量選取學(xué)生學(xué)過的或課程中涉及的較熟悉的芯片和模塊。根據(jù)相關(guān)課程，選定單片機(jī)芯片中的STC89C52作為控制的核心，對重量進(jìn)行檢測，測量中傳感器選用應(yīng)變片，組橋測量，構(gòu)成傳感器，檢測到的信號傳輸給單片機(jī)，并顯示。主要知識點(diǎn)有零位測量、系統(tǒng)標(biāo)定、應(yīng)變片、橋路測量、單片機(jī)最小系統(tǒng)等，涉及的軟件有Altium Designer、Proteus、Keil等，加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)傳感器知識的理解與掌握，培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的系統(tǒng)理解與綜合應(yīng)用能力。

一、單片機(jī)受力檢測系統(tǒng)

（一）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受力檢測系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、應(yīng)變片、電橋電路、放大和AD模塊、顯示模塊等組成。電路開始時(shí)，單片機(jī)對檢測電路的輸出端進(jìn)行定時(shí)采樣，并加以顯示。當(dāng)有受力作用時(shí)，應(yīng)變片感受力的變化，通過電橋輸出電壓，并經(jīng)過放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字，再經(jīng)過單片機(jī)處理為力的數(shù)值，并輸出顯示。

（二）主要模塊設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)。由于開設(shè)傳感器與檢測技術(shù)課程前，學(xué)生學(xué)習(xí)過單片機(jī)原理等課程，這些課程曾介紹5l系列單片機(jī)，因此本課程設(shè)置課內(nèi)課外學(xué)習(xí)和實(shí)踐中選取51系列單片機(jī)作為控制芯片，其最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路等。實(shí)踐中我們選擇STC89C52芯片，+5V供電，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。

2.應(yīng)變片與電橋電路。電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的黏和劑緊密黏合在力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，電阻應(yīng)變片產(chǎn)生形變，其阻值發(fā)生改變。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，需要電橋測量，再放大，傳輸顯示。我們采用絲式金屬電阻應(yīng)變片，并組橋測量，電橋測量方式可以有單臂、雙臂、全橋測量，三種方式都可以用Proteus軟件仿真進(jìn)行。

3.信號放大及其數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。我們用HX711專用應(yīng)變片放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，這是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無須另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。

4.傳感器標(biāo)定及其指標(biāo)計(jì)算。利用標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度的過程稱為標(biāo)定。任何傳感器在使用前都需要對其進(jìn)行標(biāo)定，在使用一段時(shí)間后還需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)，確保傳感器測量精確度。通過加載—卸載—再記載—再卸載等過程，確定傳感器的各類指標(biāo)，如靈敏度、分辨率、非線性度等參數(shù)。

（三）系統(tǒng)原理圖與PCB設(shè)計(jì)

原理圖就是表示電路板上各器件之間連接原理的圖表，其作用非常重要，因此原理圖的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。印刷線路板（PCB）工程制作的水平，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，反映出印制板生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝能力和技術(shù)水平。PCB工程制作者責(zé)任重大，在處理PCB設(shè)計(jì)文件時(shí)，應(yīng)該仔細(xì)檢查：接收文件是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則？能否符合PCB制造工藝要求？有無定位標(biāo)記？線路布局是否合理？線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，能否滿足生產(chǎn)要求。元件在二維、三維空間上有無沖突？印制板尺寸是否與加工圖紙相符？后加在PCB圖形中的圖形（如圖標(biāo)、注標(biāo)）是否會(huì)造成信號短路。對一些不理想的線形進(jìn)行編輯、修改。在PCB上是否加有工藝線？阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字符標(biāo)志是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質(zhì)量。

（四）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)通電后，主程序首先進(jìn)行端口、顯示、數(shù)據(jù)的初始化，還有定時(shí)器的初始化，接著進(jìn)行重物檢測，如果通電前就有重物的話，就把重物計(jì)入稱重裝置中，當(dāng)再有物體放入是，檢測到重物信號，并顯示，從而完成一個(gè)周期的檢測。[5]

二、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

本教學(xué)案例可以安排在學(xué)生學(xué)完線性代數(shù)、C語言、模擬/數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感器與檢測技術(shù)等課程后，或者在學(xué)習(xí)單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感器等課程過程中，作為實(shí)踐課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。可采用專周實(shí)訓(xùn)，也可以課內(nèi)分批實(shí)施。實(shí)施時(shí)，對學(xué)生進(jìn)行分組，以小組完成設(shè)計(jì)。可以設(shè)計(jì)的題目如表1所示，具體內(nèi)容安排及教學(xué)過程如表2所示，該表為通用型的，可以用于課內(nèi)，也可以用于具體實(shí)踐周。

三、總結(jié)

傳感器與檢測技術(shù)涉及的學(xué)科面廣，不管是教還是學(xué)，如何理解并掌握這門課程一直是一個(gè)難點(diǎn)。目前高校開設(shè)本門課程，主要以理論教學(xué)為主，實(shí)踐輔導(dǎo)為輔，教師上課難以形象化，學(xué)生掌握有難度，再加上資金短缺，難以和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，不符合現(xiàn)代教育對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。

課程教學(xué)中，我們以受力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為突破口，結(jié)合傳感器、單片機(jī)等相關(guān)知識，將其涉及的知識按功能模塊分解，以案例融入有關(guān)課程內(nèi)容的教學(xué)之中。可根據(jù)課程內(nèi)容，對相關(guān)模塊知識進(jìn)行偏重，保證課程教學(xué)的特點(diǎn)，同時(shí)將課程內(nèi)容結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)理論與應(yīng)用的結(jié)合，形象化相關(guān)知識。通過教學(xué)實(shí)踐，對學(xué)生的興趣、知識、能力方面都獲得一定的提升。當(dāng)然，教學(xué)中要求老師具有一定的全局理論和實(shí)踐能力，也是一大挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉宇，李林芷，石東平，等.傳感器原理課程“理實(shí)結(jié)合”教學(xué)案例探索[J].科技視界，2019（21）：91-92.

[2]王玉香，張喜紅，楊清志.基于熱釋電紅外傳感器的教學(xué)案例設(shè)計(jì)[J].上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，37（6），2017：45-49，28.

[3]童敏明，唐守鋒，董海波，等.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4]高成，楊松，佟維妍，等.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[5]嚴(yán)平鋒，凌志浩，蔣煒.步進(jìn)電機(jī)的控制與檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2014（4）：38-42.