基于Proteus的传感器与检测技术课程教学改革研究

王君瑞

摘 要 针对传感器与检测技术课程传统课堂教学只注重理论教学、实验教学偏重验证性实验的问题，利用Proteus软件对传感器与检测技术课程的各个相关教学环节进行设计。教学实践情况表明：将Proteus软件引入“传感器与检测技术”教学环节中，不仅能够进一步激发学生的学习兴趣，而且有利于培养和提高学生综合分析、解决问题的能力。

关键词 传感器与检测技术；Proteus；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）18-0049-02

Based on Proteus Sensor and Detection Technology Course Tea-ching Reform Research//WANG Junrui

Abstract 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.

Key word sensor and detection technology； Proteus； experiment teaching

1 前言

随着时代及科技进步、经济的发展，高等教育所处的内外环境发生巨大变化。当前对于人才素质的培养需要日渐多样化。国内外公认传感器与检测技术不仅是构成现代信息技术的三大支柱之一，而且是最有发展前途的高科技产业。因此，当前普通高等学校自动化、测控技术与仪器、电子信息工程及电气技术等专业将传感器与检测技术课程设置为专业基础必修课。

传感器与检测技术课程是涉及电学、磁学、光学、力学、材料、化学、计算机技术等众多学科的交叉学科，其内容繁杂，是后续专业课程如单片机、自动控制等课程学习和专业技能培养的基础。从工程实施的角度来看，传感器与检测技术通常分类讲述各种测量传感器的工作原理、测量电路、选型及实际应用，以及工程应用中常见的温度、压力、物位、厚度、速度、流量等物理量的测量方法。对于各种测量传感器的原理及应用场合而言，其内容是相互独立的。

传感器与检测技术课程的传统课堂教学过程，主要是对各类传感器的物理性质、工作原理及简单生活应用进行讲解。由于大部分学生都是初次接触相关传感器的知识，从而缺乏感性认识。另外，实验环节通常由试验箱来完成，学生通过连接导线、运行仪器，从而观察结果，缺乏对自主学习的训练，难以调动学习积极性。基于传感器与检测技术课堂教学、实验教学中的不足，结合实际教学经验，将仿真软件Proteus引入该课程教学中，对课堂教学、实验教学、考核方式都重新进行设计，从而弥补传统教学过程中存在的诸多不足及条件限制。

2 Proteus仿真在课堂、实验教学中的应用

Proteus仿真软件特点 1989年，英国Labcenter Elec-

tronics公司开发了一款用于电子电路和单片机系统的仿真工具软件——Proteus软件。该软件提供了大量的存储器和外围芯片，以及虚拟仪器仪表诸如虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，不仅可以满足单片机软件仿真系统的标准，而且可以进行模拟分析、数字仿真、混合信号分析及逻辑分析等。

将Proteus引入到课堂、实验教学 Proteus软件提供了传感器库，对于工程应用中常见的传感器模块如光敏、压力、温湿度传感器等，在传感器库中都可以找到。课堂教学中，教师在讲授课程理论的同时，利用Proteus软件将设计好的各类传感器进行效果演示。同时，对传感器系统中的各种传感器、单片机等，可分别讲解各功能模块的作用，使学生对于设计一个完整传感器系统的各功能模块有更直观、清晰的认识。对于实验教学，大部分普通高等学校都采用传感器试验箱来完成，通常实验教学以验证性实验和演示性实验内容居多。将Proteus软件引入实验教学中，可以借助Proteus所提供的元器件和外设模型，选择各种传感器、CPU进行各种原创实验设计，使学生能自主进行传感器系统的设计，提升学生机电设计的水平和能力。

利用Proteus设计改进课程的考核方式 传统传感器与检测技术教学过程中，通常采用课程考试一卷定终身，成绩高低完全依赖于试卷成绩，学生凭借记忆背诵、理论推导、公式计算就可以拿到高分。另外，采用一卷考核，考核内容不可能含括传感器与检测技术教学中的全部内容，这必然会造成考核结果存在偶然性，不能有效、真实地考核学生平时学习中对课程知识和技术的掌握程度。为此利用Proteus仿真改进传感器与检测技术的考核方式，采用“试卷成绩+Proteus仿真设计+实验成绩”累加式的考核方式，真正有效培养和提高学生综合分析、解决问题的能力。

3 Proteus仿真在教学中的实践

课题：温度测量系统的设计 温度是一个表征物体或系统冷热程度的重要物理量，是工业生产过程中的主要工艺参数，在电饭煲、空调、电阻炉、报警器、工业现场等场合中都有应用。在课堂教学中，通常介绍三类常用温度传感器的工作原理，以及根据实际系统如何选用合适的温度传感器。首先，了解金属热电阻测量温度时其电阻值随温度而变化的特性，掌握热电阻相关电桥测温原理；其次，了解热敏电阻的测温特性、类型；最后，了解热电偶的测温工作原理，学会使用热电偶分度表，掌握热电偶的使用方法。在实践教学中，要求学生能够根据设计要求选用合适的温度传感器，并完成相应温度测量电路的设计与实现，通过硬件实现。设计题目确定后，组织学生分组讨论设计中传感器的选型、温度测量电路的设计，最终利用Proteus软件实现电路设计的仿真。

教学目标 通过此次教学活动，学生应掌握所用元器件的工作原理，认识并熟知各种器件相关技术参数，学会搭建各种传感器的测量电路和补偿电路，熟练查阅热电偶和热电阻的技术手册，学会记录并分析实验数据。

仿真调试 根据前期的调研、查阅资料并组织学生讨论，最终确定每种传感器测温的典型电路。本实例采用热电偶测温电路，采用J型热电偶作为敏感元件进行接触式测量。热电偶输出信号非常小，为毫伏级微弱信号。若将该输出信号直接转换为数字信号，则该微弱信号极有可能被系统本身的纹波所淹没，因此必须进行信号调理，即将待测信号通过放大、滤波等操作，得到适合的输出信号。

本仿真设计的温度调理电路采用双电源、仪表放大器OP07A，二阶低通滤波电路。热电偶作为敏感元件直接测量温度，并把温度信号转换为相应的热电动势信号输出，该信号经过后续一级差分放大、二阶低通滤波兼二级放大后输出的电压值满足AD转换所需要的电压范围0～5 V的要求：0 ℃时输出0 V，1000 ℃时输出5 V。热电偶测温一级差分放大电路、二阶低通滤波兼二级放大电路如图1、图2所示。

相关温度测量电路设计完成后，可以打开Proteus软件，首先在Transducer库中选择所需传感器模块，相关温度调理电路所需元器件，按照设计要求连接元器件组成电路，即完成仿真电路图的绘制。由于该设计由硬件设计完成，完成仿真电路图后即可进行仿真测试。如果设计中需要进行软件设计，可在Keil集成开发环境下使用C语言编制程序和编译，程序调试通过后生成一个后缀名为.hex的文件，以备仿真时调用。

4 结束语

将Proteus软件引入传感器与检测技术课程教学各环节，可以有效地弥补传统课堂教学、实验教学的不足，在一定程度上摆脱了各类传感器实验中对于传统硬件条件的局限。另外，Proteus仿真设计的项目大多与学生日常生活密切相关，并蕴含工业应用系统设计思路。利用Proteus软件完成一个传感器系统或完成一个测量电路，使学生对此保持浓厚的学习兴趣，增强了认知能力和实践能力。今后还需继续探索，不断优化和更新教学内容，进行教学改革，增强教学效果。■

参考文献

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