Proteus在《传感器与检测技术》教学中的应用

王林泓

摘 要：将Proteus仿真软件引入到传感器的教学中，以热电偶传感器为例，通过对热电偶特性及以热电偶为检测单元的测温系统的仿真，将抽象的教学内容与实际设计有机的结合起来。实现了虚拟仿真和实际制作的无缝对接，提高了学生的学习兴趣及问题分析能力，具有较好的推广意义。

关键词：Proteus仿真软件 传感器 热电偶

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0143-04

1 Proteus仿真软件引入传感器的教学

Proteus嵌入式系统仿真开发平台是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，是目前世界上最先进，最完整的嵌入式系统设计与仿真平台之一。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus仿真软件可以进行电子线路的仿真与设计[1-3]（包括电路分析、模拟电子技术、数字电子技术等电路的設计仿真） 和单片机系统仿真[4]。使用Proteus软件进行传感器及其检测电路设计是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用[5-7]，有利于培养学生对传感器检测电路的设计能力及仿真软件的操作能力；在教学实践环节中，Proteus仿真软件在理论教学与硬件制作之间建立了一座桥梁，使学生对传感器的学习更易理解，更容易提高。教学实践表明，将Proteus引入到传感器的教学中，极大提升了学生对传感器学习的兴趣，而进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作能极大提高系统设计效率。本文以工程上广泛应用的热电偶温度传感器测温电路的Proteus仿真为例进行介绍。

2 Proteus软件中的温度传感器

2.1 Proteus软件中的温度传感器

Proteus软件中有大量的传感器模型，其中温度传感器包括：热敏电阻、集成电压、电流型传感器及热电偶传感器等。常用温度传感器见表1。

2.2 热电偶

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合形成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

热电偶符号及Proteus软件中热电偶的图形如图1所示。

采用Proteus软件对热电偶进行仿真时，通过上下箭头调节温度，再用电压表即可观察热电偶输出热电势与温度的关系。

3 热电偶测温仪的仿真

热电偶的输出电压是mV级的，因此需要进行放大。与热电偶配对使用的放大器包括AD594和AD595。其中AD594与J型热电偶配对使用，AD595与K型热电偶配对使用。本文以AD594与J型热电偶的配合使用为例，介绍热电偶测温电路的设计方法及工作过程在Proteus仿真软件中的实现。

设计的热电偶温度计包括J型热电偶，J型热电偶放大器AD594，显示模块ICL7135及驱动电路。测温及热电偶状态监测电路如图2所示。该电路的工作原理如下：J型热电偶的一对导线末端点作为热电偶的连接点，它是AD594进行补偿的接点。此点需与AD594保持相同的温度。AD594外壳和印制板在1脚和14脚用铜箔进行热接触，热电偶的引线接到它的外壳引线上，从而保持均温。当热电偶的一条或两条引线断开时，AD594的12脚变为低电平，通过三极管电路控制555报警电路发出警报声，提示用户热电偶出现了断线故障。

在图2中如果断开热电偶的一根连线，仿真运行后可以听到扬声器发出声音，从而模拟的实际应用中热电偶断线或没有连接好的故障。通过图2可以让学生了解并感知热电偶工作状态检测的方法。

热电偶放大器AD594和AD595输出电压与热电偶输出电压的关系如式（1）所示：

AD594输出 = （J型电压+16?V）×193.4

AD595输出=（K型电压+11?V）×247.3 （1）

热电偶的温度每变化1℃，AD594的9脚就有10mV的电压输出，该电压经过1Ω电阻加到数字显示电路ICL7135的输入端9脚和10脚，如图3所示。ICI7135是4位双积分A/D转换芯片，可以转换输出±20000个数字量，有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便。ICL7135的转换速度与时钟频率相关，在仿真电路中转换时钟频率为125KHz。其输出的数字量=10000×（VIN/VREF），在本例中VREF=2.5。

图3中7447芯片是BCD码转换成7段LED数码管的译码驱动芯片，7447的主要功能是输出低电平驱动的显示码，用以推动共阳极7段LED数码管显示相应的数字。在热电偶温度计仿真电路中数码管显示的是ICL7135输出的数字量，显示电路如图4所示。

通过上述热电偶测温电路的仿真，学生不仅可以了解到热电偶测温的原理，还可以了解热电偶工作状态在线监测方法。当把仿真电路进一步制作成实物时，学生可以参考仿真电路对实际电路进行相关测量及故障排除。由于仿真电路中数码管显示的并不是温度，还需要经过一定的推导。因此在教学的过程中可以引导学生利用热电偶分度表的知识、AD转换数字量计算方法等知识融合起来，进行温度推算。在这个仿真电路中不利用单片机就可以实现一个完整的系统，因此对还没有学习单片机的学生，是一个很好的例子。这个仿真项目在学生学习了单片机课程后可以进行适当的修改，采用液晶屏直接显示温度值。endprint

4 Proteus仿真软件对传感器教学的意义

（1）实现了电子类课程的融合。传感器的应用本身融合了电路分析、模拟电子技术、数字电子技术及单片机等课程的知识。通过在多功能综合仿真软件中搭建相关检测电路，可以进一步加深学生对相关知识的理解和应用。

（2）使得翻转课堂的形式更容易实现。通过将仿真任务提前布置给学生，学生在课下可以在电脑上完成电路的仿真，对照给定的原理图，学生在绘图的过程中需要有细致认真的学习态度。在课堂上学生可以结合仿真中的问题和对电路工作原理提出疑问。由老师进行解答，同时引导学生思考电路中某些重要参数设计的方法和技巧。将答疑，启发，引导的教学方法与软件仿真相结合，给学生提供了更多的思维活动空间，充分发挥学生学习的积极性，主动性。

（3）实现了虚拟仿真和实际制作的无缝对接。利用Proteus软件，可以仿真不同种类的传感器的性质，模拟传感器的工作过程，构建依据传感器的检测系统。对仿真软件中沒有的传感器类型，可以根据其特性用软件中现有的器件来代替。在对检测电路仿真无误后，可以进行实际电路的制作与调试，从而把虚拟仿真和实际制作及调试相结合，不但能降低实验成本，而且能提高学生学习的兴趣。把Proteus仿真软件应用于传感器教学中，在虚拟仿真和实物制作之间实现了无缝对接，增强了学生的学习兴趣。

5 结语

传感器及其应用课程是一门重视系统设计和应用的课程。利用仿真技术设计一个以传感器为感知端的检测系统，对于培养学生建立系统的概念，把抽象的概念具体化都有重要的意义，同时有效地延伸了实验时间和拓宽了实验场所。通过教学实践证明，在温度传感器的教学引入Proteus仿真教学，降低了教学难度，提升了学生的学习兴趣，教学效果得到了提升。

参考文献

[1] 许维蓥，郑荣焕.Proteus电子电路设计及仿真[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2] 冯睿，杨运芳.Proteus在“电子技术基础与技能”课程中的应用[J].工业和信息化教育，2013（7）：55-58.

[3] 陈燕.Proteus在电子类课程教学中的应用探讨[J].长江大学学报：自然科学版，2010，7（1）：349-351.

[4] 米红菊，易斌，王丽萍，等.浅析基于仿真技术的单片机交互式教学环境构建[J].工业和信息化教育，2015（3）：88-94.

[5] 李娟，刘焕平.Proteus仿真软件在传感器课程教学中的应用[J].石家庄职业技术学院学报，2013，25（6）：65-67，77.

[6] 邓昌建.仿真技术传感器及其应用的教学[J].四川教育学院学报，2010（5）：112-113.

[7] 陈芳.温度传感器DS18B20在Proteus中的仿真[J].技术纵横，2010（7）：17-20.endprint