基于单片机及LabVIEW的传感器课程设计教学模式探索与研究

周春艳 盛洪江 张白

摘  要 针对传感器课程设计这门课程的实施过程，在分析目前存在的不足和缺陷的基础上，从内容、组织形式、实施方式等方面进行改革研究和探索，提出利用单片机结合LabVIEW的方式，对学生从传感器检测系统的硬件设计、软件设计、上位机可视化界面的设计、标定和误差分析等几个方面进行综合性的训练。

关键词 传感器;课程设计;LabVIEW;单片机

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）11-0076-04

1 引言

随着新技术革命的到来，人类社会开始进入信息时代，在信息利用过程中，首先需要解决的问题就是如何准确、快速获取可靠的信息。传感器作为信息获取的源头，是获取自然界和生产领域信息的主要工具，在当代科学技术中占有非常重要的地位[1]。“传感器原理与检测技术”是测控技术与仪器、自动化、电子信息等专业的专业基础课，综合性较高，具有很强的实践性和应用性，在培养学生创新实践能力方面有重要作用[2]。课程设计是一门课程的综合性实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，培养学生团队协作精神、创新意识和严肃认真求实的治学态度，培养学生设计、计算、文献查阅、论文撰写等方面的能力[3]。

本文从培养创新型人才的社会需求出发，利用传感器结合单片机和LabVIEW实现信号的采集、处理和显示等过程，探索适合学生能力发展的“传感器原理与检测技术”课程设计新模式，加强课程之间的关联性、自然衔接和相互配合，帮助学生构建完整的知识结构[4]。

2 传感器课程设计教学现状

在新工科和工程教育认证背景下，应该以学生能力的全面发展和提升为目标导向，培养学生的实践能力、创新能力和团队协作精神，确保毕业生可以达到行业认可的既定质量标准要求。“传感器原理与检测技术”这门课程作为诸多电子相关专业的基础课，在学生专业素质培养中占有重要位置，而课程设计对于学生对这门课程理论知识的巩固、综合运用所学知识解决实际问题能力的培养具有突出的作用[5]。但是，目前在课程设计环节的实施过程中还存在一定的不足和缺陷，不能较好地完成以学生为导向的目标任务，主要表现在以下几个方面。

1）内容上。传统的传感器课程设计注重于传感器原理、性能和电路等方面的设计，与其他课程之间的联系不够紧密，学生缺乏一种整体的科学思维。随着物联网和智能制造的升级，传感器的发展日新月异，不断朝着智能化、微型化、网络化的方向发展。因此，对传感器的学习更应该注重信号的采集、处理、数据挖掘等一系列的整体过程，并能够对信号的形式结合实际工程应用进行科学解释，树立一种科学的大局观和总体认知能力。

2）组织形式上。目前，各大高校针对课程设计的实施，大都是采用集中一周或两周的时间来进行，布置一个任务让学生在短期内实现既定的要求。对于学有余力或基础较好的学生，这样的形式比较适合;但是对于基础较弱的学生，在短期内要掌握很多新的知识是很困难的，只能依赖于组长或其他学生，就会出现浑水摸鱼的现象，缺乏主动探索的欲望，丧失真正掌握知识的成就感。

3）实现方式上。目前在传感器课程設计的实现方式上，多采用半开放的模式，即前端的传感器和处理电路是分立元件，而后端是利用实验平台实现信号的采集，这就限制了学生对于信号的采集和处理环节的学习。

3 传感器课程设计改革模式探讨

课程设计的组织形式应以学生的需要、兴趣和目的为中心，做到以学生为本。教师在整个过程中可以帮助学生共同确立目标、制定计划实施方案以及评定方式等。学生在实施过程中会遇到困难和障碍，教会他们采取什么途径，如何通过查找资料来解决问题，让学生在接受挑战、克服困难的过程中寻找学习的意义、价值，培养学习的主动性。整个过程分为项目准备和项目实施两个环节。

项目准备  项目的准备环节就是帮助学生确立设计目标、设计要求并制订实施方案的过程。在这个环节应该针对学生兴趣和实践动手能力，确立难度适当超出学生认知程度的题目，让学生有思考和探索的空间，在解决困难的过程中培养学习的主动性，也感受学习的意义和乐趣。项目准备的内容主要应包含四个方面。

1）明确目标。首先要明确该项目要实现的目标，也即被测量是什么，要达到的性能指标，显示方式、通信方式、上位机显示界面等要求。

2）明确相关联的理论知识。根据被测量，明确选用什么传感器，该传感器的原理等。如要设计基于红外的测距仪，则需掌握红外测距传感器的基本原理、输出信号的形式、如何进行标定和标度变换等，还需掌握单片机实现A/D采集、上位机编程方式等理论知识。

3）确定设计方案。首先是处理器的选择，可以选择目前流行的Arduino进行设计，很容易实现信号的采集，但是对硬件知识要求太低。为了训练学生的硬件知识和编程思想，可选择51单片机。对于传感器的选择，可以选择模拟式的，也可选择数字式的。其次就是上位机编程软件的选择，如选择LabVIEW、MATLAB、VB、VC++等环境来实现数据的图形监控界面。

4）教学方式的确定。可以采用实践和理论相结合的方式，将课程设计贯穿整个理论教学环节。将课程设计的内容按设计步骤分解成若干个子项目，让学生从简单的项目入手，一步步完成整个项目。如图1所示为整个项目实现内容，可以将硬件部分分为五个子项目，让学生每周完成一个子项目，并在规定的时间内验收答辩。等到第四个和第五个项目完成后，再设计上位机的程序。

项目实施  项目的实施总共分为三个环节来实现：一是下位机信号采集及显示部分的设计和调试;二是上位机可视化程序部分的设计和调试;三是系统标定和误差分析。第一个环节需要分为五个子项目来实现。

1）下位机采集系统设计。如表1所示，项目难度逐次递增，每一个项目都是在前一个项目的基础上进行扩展而实现新的功能。

2）上位机显示项目设计。利用LabVIEW完成数据的采集、显示和存储等功能，设计数据的图形监控界面。如图2所示，以红外测距系统为例，可以在上位机上实时监控位移的变化方向及变化量，也可计算测量误差并进行误差修正。

3）系统的标定和误差分析。对系统的标定就是利用标准的计量仪器对所设计的测量系统的准确度进行检测的过程。对于模拟输出的传感器，标定就是建立输出电压和输入被测量之间的数学关系式，对于数字量输出的传感器，确定其误差的大小并进行修正。如图3所示为红外测距系统的输出信号和被测量之间的关系图，利用高精度激光干涉测距仪精确测量位移值。

由图可以看出，传感器输出的电压与被测距离之间呈指数下降关系。然后根据标定的数据可以建立电压和被测距离之间的关系并拟合出相关方程，如式（1）所示，利用该公式就可利用红外传感器进行位移的测量。

还可进行误差分析，掌握传感器的各种特性参数，如线性度、量程、灵敏度等重要的静态特性指标，也可测量其动态特性，让学生对传感器的静态和动态特性有更直观的理解。如图4所示为红外测距传感器的测量值和实际距离值之间的偏差曲线。

从图中可以看出，当被测距离较小时，测量误差较小;随着被测距离的增大，误差也逐渐增大。因此，在实际应用过程中，可以选择最佳的测量范围，以达到较高的测量精度。将被测值和实际值拟合成一条直线，如式（2）所示，决定系数R2可以达到0.98，说明该传感器的测量精度较高，可以满足精度要求不是很高的场合。

y=0.78x+9.47

项目总结  项目总结包括成果展示和报告的撰写。在整个课程设计环节，报告的撰写占有很重要的地位，写报告的过程可以帮助学生梳理思路，是一个建立知识链接的过程，是将所学知识由实践上升到理论的过程。因此，要对报告进行严格把关，规范格式和内容。

项目评价  项目评价即成绩的评定，教师对学生所做项目结合实物和报告的撰写情况进行客观评价，肯定学生在设计过程中的积极部分，对不足部分提出改进意见。考核过程应考虑公平性和灵活性，也应培养学生在整个设计过程中的团队协作精神和集体意识。因此，综合成绩分为小组集体得分和个人得分。表2所示为综合成绩评定标准。对于考勤分，如果个人有缺勤的状况，也会影响到小组集体得分，因此对学生有一定的约束力，也避免发生“搭便车”的消极现象。另外，在下位机的五个项目实施过程中，要求小组的五个成员，每人担任一次组长职务并对成果进行讲解和答辩。这样一来，个人的表现也会影响到集体得分，是对学生的督促，也让他们学会相互合作和配合。

4 结语

本文从项目准备环节和项目实施环节对传感器的课程设计进行改革和探索，设计基于单片机和LabVIEW的综合性设计项目，让学生從整体上把握整个检测系统的设计实施过程，掌握各个环节之间的联系，更进一步加深对课程群和专业的认识。题目难度由易到难，并适当超出学生认知水平，让学生在解决困难的过程中体会到学习的乐趣和意义，树立主动学习的意识。通过采用集体考核制、人人参与制，培养学生的责任感和团体协作能力。

参考文献

[1]刘晓旻，张晓芳，李苏贵.现代工程教育理念下的传感器课程教学改革[J].中国电力教育，2010（6）：107-110.

[2]刘海妹，夏旭.基于工程实践应用能力培养的传感器课程教学改革[J].通信电源技术，2015，32（2）：123-125.

[3]黄艳.基于能力培养的传感器课程教学改革探索[J].苏州市职业大学学报，2014（3）：83-85.

[4]方桂娟，伍坪.应用技术型本科传感器课程教学改革探究[J].武汉轻工大学学报，2016（1）：114-116.

[5]谢建宏.基于项目驱动的传感器原理课程教学改革研究[J].实验室研究与探索，2018，37（10）：222-224，267.