智能温度传感系统实验教学设计研究

李劲松

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

CDIO(Conceive构思，Design设计，Implement实施，Operate运行)教育模式是由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学经过多年的探索、研究和实践，于2004年创立的一种工程教育理念。该教育模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[1-3]。迄今为止，国际上已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎。我国于2008年，由教育部高等教育司发文成立“CDIO工程教育模式研究与实践课题组”；2016年，在教育部原“CDIO工程教育改革试点工作组”基础上成立“CDIO工程教育联盟”。目前，我国共有105所高校加入“CDIO工程教育联盟”。

日常生产和生活中，智能化的温度测量及控制在农林畜牧、食品运输和存储、医药行业药品保存等行业越来越重要。针对所述领域社会需求和面临的复杂工程问题，以及CDIO教育模式中强调的主动性、实践性、课程之间有机联系性的教学方式[4-5]，本文以CDIO教育理念为基本思路和框架，以安徽大学光电信息科学与工程专业培养方案这“集成光电器件工程训练”课程为例，利用商业化元器件和传感器结合可编程单片机和LabVIEW软件开展智能温度传感系统的自主设计和实验研究，通过实现传感器信号的测量、采集、通讯、分析处理和实时显示、存储等过程，探索适合培养学生创新能力和工程实践能力的工程实训课程设计教学新模式[6]。

1 智能温度传感系统设计

为了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，让学生能够充分发挥前期所学的专业知识，本实验围绕单片机课程、光电检测技术、计算机编程等课程教学内容，结合日常生产生活中对智能化温度测控的实际应用需求，将硬件和软件相结合，开展实验内容的总体设计思路和方案的流程图如图1所示。

图1 智能温度传感系统设计方案流程图

1.1 硬件选型

传统的温度测控系统通常采用热敏电阻或热电偶作为温度传感器，结合一定的补偿电路，再经过A/D转换等环节才能获得数字化信号，增加了电路的复杂性，且电路易受干扰，使采集到的数据准确性不高。随着现代化电子技术的发展，目前国际上新型温度传感器已从模拟式向数字式，从集成化向智能化、小型化的方向飞速发展。本实验以小型化温度传感器DS18B20作为温度测量的传感器，该传感器将温度传感器、寄存器、接口电路集成于一体化芯片中，可直接输出数字信号，其原理示意图如图2所示。

图2 DS18B20型温度传感器原理示意图

为了便于整个设计过程中功能调试和实现，以BST-V51型单片机开发板作为中控单元，其集成的STC90C52型单片机芯片拥有USB自动下载模块，可直接写入程序，实现和拓展检测功能。此外，利用LCD显示屏增强传感器系统的可视化硬件显示功能。

为了更好让学生掌握本实验设计过程和温度传感系统工作原理，首先可通过软件进行理论仿真研究。选择了英国Lab Center Electronics公司出版的Proteus软件来进行原理图布图设计、代码调试到单片机及外围电路协同仿真模拟。首先，在打开的Proteus软件工作界面，选择以上所述型号的电子元器件，依据电子元器件各个引脚定义，将其按工作原理图连接起来，最终生成的仿真电路图如图3所示。仿真调试成功之后，需要编写单片机程序并将代码烧录到单片机内部，执行温度数据的读取、显示和传输等功能。以基于C语言的KeiluVision4软件为例，主要包括以下六个函数模块：1)定义变量部分，2)初始化DS18B20温度传感器，3)设置串口数据部分，4)读温度值部分，5)显示函数部分，6)主函数部分。最后，将编译成功的单片机程序代码通过STC-ISP或PZ-ISP软件下载到单片机芯片内，下载成功后，给单片机开发板断电再通电，即可实现传感器测量值实时显示在LCD液晶显示屏中，实现可视化效果。实际教学过程中，依据LCD显示屏显示位数，可适当增加其他写入功能，如：学生姓名和个人学号信息等。

图3 Proteus仿真温度测量实现过程程序图

1.2 软件通讯

智能化传感系统设计离不开数据通讯、存储、实时分析和可视化显示数据变化趋势分析软件。在众多数据可视化图形软件中，LabVIEW(全称为Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一款由美国国家仪器公司研制开发的一种采用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，开发环境类似于C和BASIC语言已成为一种通用的编程系统。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等，并以与传统仪器外观类似的控件形式存在，可便于使用者方便地创建用户界面，即通称为“前面板”。与其对应的“后面板”是图形化源代码，又称G代码。图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的表现形式，框图程序中的节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW数据库中VISA库函数是实现串口通讯的关键模块。VISA功能模块包括VISA读取、VISA写入、VISA设备清零函数，及采样参数设置等模块。中首先利用VISA配置串口将串口设置初始化，设定波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、流控制、超时处理终止符和终止符使能等通讯参数。再利用VISA 读取模块从 VISA资源名称所指定的串口中读取指定字节的数据，并将数据返回至读取缓冲区。最后通过VISA关闭模块关闭 VISA资源名称指定的串口会话句柄或事件对象，释放串口资源，以便串口被其他程序所调用。如图4所示为实验设计的基于VISA串口通信的上位机数据通讯软件界面和程序流程图。前面板具有串口通讯所需的所有参数设置功能，且具有类似示波器的显示功能，可实时连续显示测量数据。

图4 VISA串口数据通信的前面板(左)和后面板(右)

1.3 应用案例

通过以上所述各部分完成相关硬件测试和软件程序编写之后，即可开展智能温度传感系统整体集成和功能测试阶段。图5是本专业学生针对国家全面倡导的节能减排政策，为防止夏季学生教室空调温度设置过低，造成能源浪费，而设计的一款教室温度智能监控传感系统，在上位机LabVIEW的控制之下对空调及风扇实现合理的制冷控制，以达到节能减排的效果。

图5 教室温度智能测控系统实物图和通讯软件

最后，为了检验自行设计的温度传感系统运行效果，以不同温度的热水为检测对象，与商业化温度传感器进行了对比实验，将测量结果导入Origin数据处理软件中，绘制的图形结果如图6所示，并对结果进行线性拟合，统计分析结果显示两者具有很好的一致性，线性相关度系数R2=0.999 9。设计的智能传感系统，电路简单、所需元器件少、测量精度良好，可实现实时测温、超限报警和语音播报等功能，可广泛地应用于温度测量和性价比要求较高的应用领域。

图6 实验测量温度值与参考值对比分析结果

2 总结和展望

“光电信息科学与工程”专业是一门集光学、电子学、信息科学和工程科学的多学科交叉融合专业，具有较强的综合性和实践性。围绕CDIO国际教育模式中强调的主动性、实践性、课程之间有机联系性的教学方式，以现实生活中众多领域需求的智能温度测控需求为研究案例，利用商业化元器件和传感器结合可编程单片机和LabVIEW软件开展了智能温度传感系统的自主设计和实验研究，通过实现传感器信号的测量、采集、通讯、分析处理和实时显示、存储等过程，提升学生创新能力和工程实践能力，为有效推进高校工科专业实践教育课程教学改革提供一定的参考和借鉴作用。