新工科背景下的虛實(shí)結(jié)合傳感器實(shí)踐教學(xué)

摘" 要：針對(duì)目前傳感器原理及應(yīng)用課程實(shí)踐教學(xué)受空間和時(shí)間的約束難以拓展的問(wèn)題，分析了采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱模式存在的問(wèn)題，提出了基于“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)模式。介紹了虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐模式中課程配套實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)及實(shí)踐教學(xué)流程，并以“PT100測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例詳細(xì)介紹了具體實(shí)施過(guò)程，包括電路設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、硬件測(cè)試和項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)。實(shí)踐證明采用“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)踐模式，能很好地滿足新工科背景下對(duì)應(yīng)用型人才實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞：傳感器；虛實(shí)結(jié)合；實(shí)踐教學(xué)；自主設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP212；G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）21-0194-05

Practical Teaching of Combination of Virtual and Real Sensors in the Context of New Engineering

—Taking the Course of Principles and Applications of Sensors as an Example

SONG Zhiyong

（Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou" 350002， China）

Abstract： In view of the problem that the practical teaching of the course of principles and applications of sensors is difficult to expand due to the constraints of space and time， the problems existing in the traditional experiment box mode are analyzed， and a practical teaching mode based on the “combination of virtual and real” is proposed. This paper introduces the design and practical teaching process of the course supporting experiment board in the combination of virtual and real practice mode， and takes the experimental project of “PT100 Thermometer Design” as an example to introduce the specific implementation process in detail， which consists of circuit design， simulation verification， hardware testing and project practice. Practice has proved that the practice mode of “combination of virtual and real” can well meet the cultivation requirements of practical ability and innovation ability of applied talents in the context of new engineering.

Keywords： sensor; combination of virtual and real; practical teaching; independent design

0" 引" 言

傳感器原理及應(yīng)用課程是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)選修課程，課程主要介紹電阻、電容、電感等各類傳感器的原理及應(yīng)用。傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程把教學(xué)的重點(diǎn)放在了傳感器的原理上，在傳感器原理的相關(guān)推導(dǎo)上用了大量的時(shí)間，而傳感器的應(yīng)用只是簡(jiǎn)單的介紹。學(xué)生聽(tīng)完也不懂如何去使用傳感器，更無(wú)法將課堂所學(xué)內(nèi)容用于實(shí)際的應(yīng)用中。這種模式對(duì)于應(yīng)用型本科的學(xué)生來(lái)說(shuō)是不適用的，為此進(jìn)行了應(yīng)用型課程改革[1]，將教學(xué)的重點(diǎn)放在傳感器的應(yīng)用上。課程采用項(xiàng)目式教學(xué)，每類傳感器都有具體的案例，這些案例具體地介紹傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)及器件選型等。在傳感器課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)還是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱模式，理論課程的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不匹配，實(shí)踐效果差。

1" 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)模式的問(wèn)題

傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)箱實(shí)踐教學(xué)模式教學(xué)主要存在以下問(wèn)題[2-5]：

1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，以驗(yàn)證為主，與工程實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重。

2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程只是進(jìn)行簡(jiǎn)單連線，實(shí)驗(yàn)箱對(duì)于學(xué)生就像個(gè)黑盒子，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的電路是什么樣的與電路為何是這樣設(shè)計(jì)，學(xué)生都不懂。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生也無(wú)法按照自己的想法去修改電路。后期學(xué)生更無(wú)法自己去設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，無(wú)法與傳感器的工程應(yīng)用相結(jié)合。

3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容落后無(wú)法與理論課程銜接隨著集成電路的發(fā)展。傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化，而且實(shí)際應(yīng)用中都是利用單片機(jī)來(lái)測(cè)量電壓或頻率等號(hào)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)值[6-7]。實(shí)驗(yàn)箱的項(xiàng)目幾乎從來(lái)沒(méi)有更新過(guò)，與現(xiàn)有的理論課程的案例不匹配。

在新工科教育背景下的應(yīng)用型人才教育更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[8-9]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的必要環(huán)節(jié)，也是高校新工科建設(shè)的重要部分[10]。采用傳感實(shí)驗(yàn)箱實(shí)踐模式已無(wú)法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

2" 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了基于“虛實(shí)”結(jié)合的傳感器實(shí)踐教學(xué)模式。“虛”指利用Multsim軟件進(jìn)行仿真，“實(shí)”指利用自主設(shè)計(jì)的傳感器模塊+單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在傳感器原理及應(yīng)用理論課程中采用項(xiàng)目式教學(xué)的方式介紹了各類傳感器的設(shè)計(jì)，每個(gè)案例都有設(shè)計(jì)出具體的硬件實(shí)物。課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生充分理解這些電路的設(shè)計(jì)，并能夠自己設(shè)計(jì)類似的信號(hào)調(diào)理電路。為了讓學(xué)生充分理解傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)時(shí)在Multsim軟件中對(duì)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行仿真，學(xué)生如果對(duì)一些器件的選型有困惑，這時(shí)可以利用參數(shù)描述功能分析某個(gè)器件參數(shù)對(duì)電路性能的影響，或者也可以按照自己的理解去修改電路。之后通過(guò)實(shí)際的傳感器信號(hào)調(diào)理模塊讓學(xué)生從仿真走向現(xiàn)實(shí)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中設(shè)置了3個(gè)與理論課程配套的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表1所示，包含了常見(jiàn)溫度、質(zhì)量、心率的測(cè)量。傳感器的信號(hào)調(diào)理電路中包含了基本的放大電路、儀表放大電路、單電源供電的交流放大電路等。數(shù)據(jù)處理中包含了電壓的測(cè)量、濾波算法、零點(diǎn)跟蹤、曲線擬合及頻率測(cè)量等。整套實(shí)驗(yàn)板采用單片機(jī)主控板+各類傳感器模塊的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主控板與傳感器模塊之間采用XH2.54帶方向的座子進(jìn)行連接，接線簡(jiǎn)單，同時(shí)也便于后面?zhèn)鞲衅髂K的升級(jí)換代。

2.1" 單片機(jī)主控板的設(shè)計(jì)

如圖1所示，單片機(jī)主控板用于傳感器模塊輸出的數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理及顯示等。主控板采用STC15系列51單片機(jī)IAP15W4K58S4。板子上有數(shù)碼管、OLED屏、矩陣按鍵、電容式觸摸按鍵、485接口及USB轉(zhuǎn)串口等模塊，同時(shí)采用XH2.54接口引出各類接口可以接模擬量輸出的、數(shù)字量的、SPI和I2C接口的各類傳感器模塊，可以用于各類傳感器的數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)等。該板也是微機(jī)原理及應(yīng)用課程配套的實(shí)驗(yàn)板。

2.2" PT100測(cè)溫儀實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

PT100測(cè)溫儀模塊用于將PT100傳感器0～200 ℃范圍內(nèi)的電阻值（100～175.86 Ω）轉(zhuǎn)換成0～3 V的電壓信號(hào)。模塊原理圖如圖2所示，由恒壓源及電橋電路、放大電路及二階有源濾波電路組成。采用TL431構(gòu)成4.3 V的恒壓源為電橋供電，采用恒壓電橋?qū)T100的電阻值將換成0～64 mV的電壓，利用同相放大電路將0～64 mV的信號(hào)放大47倍到0～3 V，最后利用截止頻率為16 Hz的有源二階濾波電路濾波將信號(hào)中的高頻噪聲波除。設(shè)計(jì)好的PT100測(cè)溫模塊如圖3所示，該模塊中還包含了NTC熱敏電阻的信號(hào)調(diào)理電路。在Multisim軟件中可以測(cè)試電壓橋臂比對(duì)電橋線性度的影響、運(yùn)放輸入電阻對(duì)放大性能的影響，三線制接法對(duì)引線電阻的抑制效果等。單片機(jī)的編程主要涉及曲線擬合、查表法、濾波算法等。

PT100的阻值與溫度的關(guān)系是確定的，可以利用電阻箱模擬不同溫度下傳感器的輸出。，實(shí)際的電阻箱體積大操作不便，為此設(shè)計(jì)了便攜式的電阻箱。利用0.1%精度的1206電阻設(shè)計(jì)并制作電路箱，如圖4所示，電阻箱電阻值從0.1～100 kΩ每位都可以調(diào)節(jié)，最大999.999 9 kΩ，可以用于P100及NTC熱敏電阻傳感器的測(cè)試。采用四線制接法引出，可以根據(jù)實(shí)際需要接成兩線制、三線制或四線制。

2.3" 電子秤實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

電子秤實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要由AD620儀表放大電路、有源二階濾波電路、18位的A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3421和電源電路組成，圖5為該模塊的核心電路：放大及濾波電路。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用量程為0～1 kg靈敏度約為1 mV/V稱重傳感器模塊，利用LP2985-ADJ芯片為稱重傳感器提供4 V的電壓，稱重傳感器滿度輸出電壓4 0.4 mV，MCP3421的基準(zhǔn)電壓為2.048 V，保留一定的裕量將AD620的放大倍數(shù)設(shè)為250倍，因此AD620的增益電阻阻值設(shè)為200 Ω，在AD620的輸入端增加差模截止頻率為7.6 Hz共模截止頻率為160 Hz的濾波器，在AD620的輸出端再增加截止頻率為16 Hz的二階有源低通濾波器。設(shè)計(jì)好的模塊如圖6所示，左邊的端子接稱重傳感器，右邊的端子接單片機(jī)主控板。在Multisim軟件中分別利用普通差動(dòng)放大電路、分立三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大電路和AD620儀表放大電路對(duì)電橋進(jìn)行放大，并通過(guò)Multisim軟件的參數(shù)掃描功能對(duì)這三種電路的性能進(jìn)行比較，同時(shí)測(cè)試電橋輸出信號(hào)的共模電壓對(duì)儀表放大電路輸出電壓的影響。單片機(jī)的編程主要涉及自動(dòng)標(biāo)定程序、濾波算法、零點(diǎn)跟蹤算法等。

2.4" 紅外心率計(jì)模塊的設(shè)計(jì)

紅外心率計(jì)模塊主要由TCRT5000構(gòu)成的心率采集電路及兩級(jí)帶通放大電路給成。利用TCRT5000光電開(kāi)關(guān)將心率信號(hào)轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)別的信號(hào)，之后利用LM358構(gòu)成的兩級(jí)帶通放大電路（1.6～5.3 Hz）將毫伏級(jí)別的心率信號(hào)轉(zhuǎn)換成伏級(jí)別的信號(hào)。原理圖如圖7所示，圖中只有第一級(jí)放大電路，第二級(jí)放大電路與第一級(jí)相同。設(shè)計(jì)好的紅外心率模塊如圖8所示。利用Multisim軟件可以測(cè)試電容的大小對(duì)耦合效果的影響、帶通放大電路波特圖的測(cè)試等。單片機(jī)的編程中主要涉及頻率的測(cè)量及波形的顯示，通過(guò)理誤差論分析與實(shí)際測(cè)試讓學(xué)生明白測(cè)周法和測(cè)頻法選擇的方法。

3" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

3.1" 實(shí)踐教學(xué)流程圖

以傳感器的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)PT100測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)為例，基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)（含理論部分）完整流程如圖9所示，內(nèi)容如下：

1）在理論課給出PT100測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用PT100傳感器設(shè)計(jì)0～200 ℃的測(cè)溫儀，精確度等級(jí)為1.0，采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理將溫度在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。之后詳細(xì)介紹了PT100信號(hào)調(diào)理電器路的設(shè)計(jì)，涉及電路設(shè)計(jì)、器件的選型、電阻阻值的計(jì)算等。

2）在實(shí)驗(yàn)課程中，利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，加深對(duì)電路的理解，理解電路中關(guān)鍵器件的選型或參數(shù)的計(jì)算。

3）利用制作好的PT100測(cè)溫模塊及單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)板連接進(jìn)行實(shí)際電路的測(cè)試。利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將最終的溫度值在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。

4）課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生再利用EDA軟件畫(huà)原理圖、PCB并發(fā)到廠家打樣，購(gòu)買相關(guān)器件再進(jìn)行焊接調(diào)試。整個(gè)流程包含了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部流程，同時(shí)課程結(jié)合了微機(jī)原理及應(yīng)用、電子制圖等課程的內(nèi)容，綜合性強(qiáng)，有助于學(xué)生系統(tǒng)掌握電子設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)。

3.2" 基于Multisim的仿真

PT100的簡(jiǎn)化版信號(hào)調(diào)理電路（圖中省略了電容等器件）如圖10所示，利用TL431、R1、R2、R3構(gòu)成了4.2 V的恒壓源為電橋供電，之后將PT100與R4、R5、R7構(gòu)成單臂電路將PT100的電阻值（100～175.86 Ω）轉(zhuǎn)換為0～64 mV的電壓信號(hào)。PT00的傳感器采用三線制接法，rr1、rr2、rr3表示引線電阻。最后利用R8、R9、R10、R11及運(yùn)放U2A構(gòu)成的差動(dòng)放大電路將電橋的輸出電壓放大到0～3 V。通過(guò)修改相應(yīng)電阻的阻值并利用參數(shù)掃描功能可以做以下測(cè)試：

1）電橋橋臂比對(duì)電橋線性度的影響：將電橋的橋臂比設(shè)為1、10、47、100，再利用參數(shù)掃描功能讓PT100的電阻值從100 Ω以10 Ω的步進(jìn)值增加到180 Ω，再輸出電橋的輸出電壓，最后再計(jì)算線性度，分析不同橋臂比對(duì)電橋線性度的影響。

2）放大電路輸入電阻對(duì)電路的影響：將差動(dòng)放大電路的電阻R8、R9分別設(shè)成100 Ω、1 kΩ和10 kΩ，R8、R9分別設(shè)成4.7 kΩ、47 kΩ和47 kΩ，再利用參數(shù)掃描功能讓PT100的電阻值從100 Ω以10 Ω的步進(jìn)值增加到180 Ω，再輸出運(yùn)放的輸出電壓，最后再計(jì)算線性度，分析放大電路輸入電阻對(duì)線性度的影響。

3）三線制接法對(duì)引線的抑制效果：將引線電阻rr1、rr2、rr3分別設(shè)成1 Ω、5 Ω、10 Ω再利用參數(shù)掃描功能測(cè)試三線制電橋?qū)Σ煌€電阻的抑制效果。

采用Multisim軟件學(xué)生可以很方便地對(duì)電路的性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也可以按照自己的理解去修改電路。

3.3" 利用PT100測(cè)溫模塊測(cè)試

將電阻箱采用三線制接法接到PT00信號(hào)調(diào)理板上的輸入端，PT100信號(hào)調(diào)理板輸出接到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的A/D輸入口，模塊之間的連接采用帶方向的XH2.54的端子連接方便連接測(cè)試，同時(shí)能避免連線錯(cuò)誤導(dǎo)致芯片的損壞。PT100信號(hào)調(diào)理板將PT100的阻值變化轉(zhuǎn)換成0～3 V的電壓信號(hào)。利用STC15單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量N，并進(jìn)一步處理得到溫度值t。由于受恒壓電橋的非線性、運(yùn)放的失調(diào)電壓、電阻的誤差等因素導(dǎo)致A/D值與溫度值之間的關(guān)系是不確定的，需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)試獲取。調(diào)節(jié)電阻箱的阻值從100 Ω以10 Ω的步進(jìn)值增加到180 Ω，并記錄A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果填入表2中。之后將電阻值與A/D值在Excel表格中進(jìn)行曲線擬合，利用二階關(guān)系式來(lái)表示電阻值與A/D之間的關(guān)系：

R（N ） = 1.4691×10-6N 2+8.0430×10-2N+100.14

由擬合出來(lái)的曲線計(jì)將A/D值代入N求電阻值，并計(jì)算測(cè)量的誤差填入表2中。電值測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為0.23 Ω，對(duì)應(yīng)的溫度約為0.6 ℃，滿足準(zhǔn)確度等級(jí)1.0的設(shè)計(jì)要求。在單片機(jī)中先利用擬合的曲線計(jì)算電阻值，之后再利用求根公式由電阻值計(jì)算出溫度值并在圖1單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上的數(shù)碼管上顯示出來(lái)。

3.4" 課程設(shè)計(jì)

在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生選擇自感興趣的課題，在現(xiàn)有傳感器應(yīng)用電路基礎(chǔ)上加入單片機(jī)及相應(yīng)的人機(jī)交互電路后利用EDA軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的原理圖及PCB，再將PCB發(fā)到工廠打樣，購(gòu)買元器件進(jìn)行焊接調(diào)式，再完成軟件的設(shè)計(jì)完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中綜合了傳感器原理及應(yīng)用、微機(jī)原理及應(yīng)用和電子制圖三門(mén)課程的內(nèi)容，讓學(xué)生掌握綜合應(yīng)用所學(xué)課程設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的方法，提高學(xué)生的動(dòng)手能力及分析解決問(wèn)題的能力。

4" 結(jié)" 論

基于“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)方式，實(shí)踐的環(huán)境搭建簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)，再結(jié)合自主設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板及配套的傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K就可以進(jìn)行實(shí)踐，不受場(chǎng)地限制，學(xué)生在宿舍也可進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)興趣，提高學(xué)生解決問(wèn)題和分析問(wèn)題的能力，同時(shí)也有效解決學(xué)院實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地不足的問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)方式，具有成本低、靈活性高、自主性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：宋志勇（1988.09—），男，漢族，福建莆田人，講師，碩士，研究方向：測(cè)控與儀表技術(shù)。

基金項(xiàng)目：2020年福建省新工科研究與改革實(shí)踐項(xiàng)目（jx210302）；福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院2021年高等教育改革項(xiàng)目（jx210303）