Proteus在《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

1、Proteus在?傳感器與檢測(cè)技術(shù)?教學(xué)中的應(yīng)用摘要：將Proteus仿真軟件引入到傳感器的教學(xué)中，以熱電偶傳感器為例，通過(guò)對(duì)熱電偶特性及以熱電偶為檢測(cè)單元的測(cè)溫系統(tǒng)的仿真，將抽象的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真和實(shí)際制作的無(wú)縫對(duì)接，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及問(wèn)題分析能力，具有較好的推廣意義。關(guān)鍵詞：Proteus仿真軟件傳感器熱電偶中圖分類(lèi)號(hào)：G64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791202110a-0143-041Proteus仿真軟件引入傳感器的教學(xué)Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，是目前世界上最先進(jìn)，最完整

2、的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)之一。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Proteus仿真軟件可以進(jìn)行電子線路的仿真與設(shè)計(jì)1-3包括電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等電路的設(shè)計(jì)仿真和單片機(jī)系統(tǒng)仿真【4】。使用Proteus軟件進(jìn)行傳感器及其檢測(cè)電路設(shè)計(jì)是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用5-7，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力；在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，Proteus仿真軟件在理論教學(xué)與硬件制作之間建立了一座橋梁，使學(xué)生對(duì)傳感器的學(xué)習(xí)更易理解，更容易提高。教學(xué)實(shí)踐說(shuō)明，將Proteus引入到傳

3、感器的教學(xué)中，極大提升了學(xué)生對(duì)傳感器學(xué)習(xí)的興趣，而進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作能極大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。本文以工程上廣泛應(yīng)用的熱電偶溫度傳感器測(cè)溫電路的Proteus仿真為例進(jìn)行介紹。2Proteus軟件中的溫度傳感器2.1Proteus軟件中的溫度傳感器Proteus軟件中有大量的傳感器模型，其中溫度傳感器包括：熱敏電阻、集成電壓、電流型傳感器及熱電偶傳感器等。常用溫度傳感器見(jiàn)表1。2.2熱電偶兩種不同成份的導(dǎo)體稱為熱電偶絲材或熱電極兩端接合形成回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，

4、其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端也稱為測(cè)量端，另一端叫做冷端也稱為補(bǔ)償端；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。熱電偶符號(hào)及Proteus軟件中熱電偶的圖形如圖1所示。采用Proteus軟件對(duì)熱電偶進(jìn)行仿真時(shí)，通過(guò)上下箭頭調(diào)節(jié)溫度，再用電壓表即可觀察熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系。3熱電偶測(cè)溫儀的仿真熱電偶的輸出電壓是mV級(jí)的，因此需要進(jìn)行放大。與熱電偶配對(duì)使用的放大器包括AD594和AD595。其中AD59

5、4與J型熱電偶配對(duì)使用，AD595與K型熱電偶配對(duì)使用。本文以AD594與J型熱電偶的配合使用為例，介紹熱電偶測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)方法及工作過(guò)程在Proteus仿真軟件中的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的熱電偶溫度計(jì)包括J型熱電偶，J型熱電偶放大器AD594，顯示模塊ICL7135及驅(qū)動(dòng)電路。測(cè)溫及熱電偶狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路如圖2所示。該電路的工作原理如下：J型熱電偶的一對(duì)導(dǎo)線末端點(diǎn)作為熱電偶的連接點(diǎn)，它是AD594進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕狱c(diǎn)。此點(diǎn)需與AD594保持相同的溫度。AD594外殼和印制板在1腳和14腳用銅箔進(jìn)行熱接觸，熱電偶的引線接到它的外殼引線上，從而保持均溫。當(dāng)熱電偶的一條或兩條引線斷開(kāi)時(shí)，AD594的12腳變?yōu)榈碗娖?，?/p>

6、過(guò)三極管電路控制555報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)聲，提示用戶熱電偶出現(xiàn)了斷線故障。在圖2中如果斷開(kāi)熱電偶的一根連線，仿真運(yùn)行后可以聽(tīng)到揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，從而模擬的實(shí)際應(yīng)用中熱電偶斷線或沒(méi)有連接好的故障。通過(guò)圖2可以讓學(xué)生了解并感知熱電偶工作狀態(tài)檢測(cè)的方法。熱電偶放大器AD594和AD595輸出電壓與熱電偶輸出電壓的關(guān)系如式1所示：AD594輸出=J型電壓+16?V×193.4AD595輸出=K型電壓+11?V×247.31熱電偶的溫度每變化1，AD594的9腳就有10mV的電壓輸出，該電壓經(jīng)過(guò)1電阻加到數(shù)字顯示電路ICL7135的輸入端9腳和10腳，如圖3所示。ICI7135是4位雙積

7、分A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以轉(zhuǎn)換輸出±20000個(gè)數(shù)字量，有STB選通控制的BCD碼輸出，與微機(jī)接口十分方便。ICL7135的轉(zhuǎn)換速度與時(shí)鐘頻率相關(guān)，在仿真電路中轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為125KHz。其輸出的數(shù)字量=10000×VIN/VREF，在本例中VREF=2.5。圖3中7447芯片是BCD碼轉(zhuǎn)換成7段LED數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，7447的主要功能是輸出低電平驅(qū)動(dòng)的顯示碼，用以推動(dòng)共陽(yáng)極7段LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。在熱電偶溫度計(jì)仿真電路中數(shù)碼管顯示的是ICL7135輸出的數(shù)字量，顯示電路如圖4所示。通過(guò)上述熱電偶測(cè)溫電路的仿真，學(xué)生不僅可以了解到熱電偶測(cè)溫的原理，還可以了解熱電偶

8、工作狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法。當(dāng)把仿真電路進(jìn)一步制作成實(shí)物時(shí)，學(xué)生可以參考仿真電路對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行相關(guān)測(cè)量及故障排除。由于仿真電路中數(shù)碼管顯示的并不是溫度，還需要經(jīng)過(guò)一定的推導(dǎo)。因此在教學(xué)的過(guò)程中可以引導(dǎo)學(xué)生利用熱電偶分度表的知識(shí)、AD轉(zhuǎn)換數(shù)字量計(jì)算方法等知識(shí)融合起來(lái)，進(jìn)行溫度推算。在這個(gè)仿真電路中不利用單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)，因此對(duì)還沒(méi)有學(xué)習(xí)單片機(jī)的學(xué)生，是一個(gè)很好的例子。這個(gè)仿真工程在學(xué)生學(xué)習(xí)了單片機(jī)課程后可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模捎靡壕林苯语@示溫度值。endprint4Proteus仿真軟件對(duì)傳感器教學(xué)的意義1實(shí)現(xiàn)了電子類(lèi)課程的融合。傳感器的應(yīng)用本身融合了電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)

9、及單片機(jī)等課程的知識(shí)。通過(guò)在多功能綜合仿真軟件中搭建相關(guān)檢測(cè)電路，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解和應(yīng)用。2使得翻轉(zhuǎn)課堂的形式更容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將仿真任務(wù)提前布置給學(xué)生，學(xué)生在課下可以在電腦上完成電路的仿真，對(duì)照給定的原理圖，學(xué)生在繪圖的過(guò)程中需要有細(xì)致認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度。在課堂上學(xué)生可以結(jié)合仿真中的問(wèn)題和對(duì)電路工作原理提出疑問(wèn)。由老師進(jìn)行解答，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考電路中某些重要參數(shù)設(shè)計(jì)的方法和技巧。將答疑，啟發(fā)，引導(dǎo)的教學(xué)方法與軟件仿真相結(jié)合，給學(xué)生提供了更多的思維活動(dòng)空間，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，主動(dòng)性。3實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真和實(shí)際制作的無(wú)縫對(duì)接。利用Proteus軟件，可以仿真不同種類(lèi)的傳感器的性質(zhì)

10、，模擬傳感器的工作過(guò)程，構(gòu)建依據(jù)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)仿真軟件中沒(méi)有的傳感器類(lèi)型，可以根據(jù)其特性用軟件中現(xiàn)有的器件來(lái)代替。在對(duì)檢測(cè)電路仿真無(wú)誤后，可以進(jìn)行實(shí)際電路的制作與調(diào)試，從而把虛擬仿真和實(shí)際制作及調(diào)試相結(jié)合，不但能降低實(shí)驗(yàn)本錢(qián)，而且能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。把Proteus仿真軟件應(yīng)用于傳感器教學(xué)中，在虛擬仿真和實(shí)物制作之間實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。5結(jié)語(yǔ)傳感器及其應(yīng)用課程是一門(mén)重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的課程。利用仿真技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)以傳感器為感知端的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，把抽象的概念具體化都有重要的意義，同時(shí)有效地延伸了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和拓寬了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，在溫度傳感器的教學(xué)引入Proteus仿真教學(xué)，降低了教學(xué)難度，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果得到了提升。參考文獻(xiàn)【1】許維鎣，鄭榮煥.Proteus電子電路設(shè)計(jì)及仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2021.【2】馮睿，楊運(yùn)芳.Proteus在“電子技術(shù)根底與技能課程中的應(yīng)用J.工業(yè)和信息化教育，20217：55-58.【3】陳燕.Proteus在電子類(lèi)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討J.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，71：349-351.【4】米紅菊，易斌，王麗萍，等.淺析基于仿真技術(shù)的單片機(jī)交互式教學(xué)環(huán)境構(gòu)建J.工業(yè)和信息化教育，20213：88-