傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究

張婧婧，李勇偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) a.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b.機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究

張婧婧a，李勇偉b

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)a.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b.機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

作為傳感器課程項(xiàng)目式教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)工具——仿真軟件的應(yīng)用有助于學(xué)習(xí)者加深對(duì)傳感器原理及特性的理解，同時(shí)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程高效、經(jīng)濟(jì)地開(kāi)展。該文以NIMultisim仿真軟件、Proteus仿真軟件和Labview仿真軟件為例，闡述了不同設(shè)計(jì)層次選取不同仿真軟件對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的必要性，同時(shí)也為傳感器課程設(shè)計(jì)了易于操作的仿真實(shí)驗(yàn)體系。

傳感器技術(shù)；仿真軟件；項(xiàng)目式教學(xué)；NIMultisim；Proteus；Labview

作為工科類的主干課程，傳感器技術(shù)課程對(duì)學(xué)習(xí)者的實(shí)踐能力要求較高。目前，傳感器技術(shù)教學(xué)中以原理性驗(yàn)證、應(yīng)用型設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐漸被項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容吸收或覆蓋[1-3]，在集成電路或功能模塊的參與下，學(xué)習(xí)者往往會(huì)忽視項(xiàng)目本身所涉及的傳感器或相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的重要性，因此輔之以必要的仿真實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)習(xí)者對(duì)課程理論的理解，也有助于提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率，避免各類調(diào)理電路的重復(fù)制作。本文以3種仿真軟件[4-5]為例，闡述對(duì)傳感器技術(shù)課程仿真實(shí)驗(yàn)的研究與理解。

1 仿真軟件的選擇與應(yīng)用

仿真實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中不難看出，涉及傳感器原理性的基礎(chǔ)電路應(yīng)選取適于精準(zhǔn)測(cè)量電子電路的仿真軟件NI Multisim[6-9]為宜；涉及程控傳感過(guò)程的仿真系統(tǒng)，應(yīng)選擇擅長(zhǎng)運(yùn)用單片機(jī)的Proteus[10-12]軟件為主；涉及傳感器數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)顯示的項(xiàng)目，則選擇Labview[13-15]仿真軟件最為合理。在規(guī)模較大的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，上述3類軟件還能很好地結(jié)合使用，如利用“Proteus+Labview”[16]組合或“Multisim + Labview”[17]組合的仿真系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)中普遍采用，因此學(xué)習(xí)者在不同設(shè)計(jì)層次選擇相應(yīng)的仿真軟件，將為傳感器項(xiàng)目設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 NI Multisim軟件的仿真實(shí)例

NI Multisim軟件擅長(zhǎng)原理電路的設(shè)計(jì)、電子電路的功能測(cè)試。在傳感器原理實(shí)驗(yàn)中，可以利用該軟件完成熱敏電阻、濕敏電阻、金屬應(yīng)變片、壓電陶瓷片和霍爾開(kāi)關(guān)等傳感電路的虛擬仿真，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)傳感器原理和特性的理解。軟件中豐富的測(cè)試儀器還有助于進(jìn)行各類電路的參數(shù)測(cè)試，提高設(shè)計(jì)效率。

利用Multisim實(shí)現(xiàn)的濕度報(bào)警器如圖2所示，雨滴傳感器(在圖2中用開(kāi)關(guān)J1表示)采集到濕度信號(hào)后，會(huì)將自身100 MΩ以上的電阻值降低為10 kΩ左右，在圖2電路中起到開(kāi)關(guān)作用，促使三極管2N3906處于導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，隨后利用555作短暫延時(shí)后燈光報(bào)警。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

圖2 濕度報(bào)警器的Multisim仿真

3 Proteus軟件的仿真實(shí)例

Proteus軟件致力于單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，若干少見(jiàn)的傳感器元件如MPX4115 (硅集成壓力傳感器)、SHT11(溫濕度傳感器)、LDR(光敏電阻)、IRLINK(紅外感應(yīng)器)等在Proteus元件庫(kù)中均能找到。涉及傳感器數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如溫濕度監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)、人體紅外監(jiān)測(cè)、液體流量監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)均可以應(yīng)用該軟件進(jìn)行仿真和測(cè)試。

利用Proteus仿真實(shí)現(xiàn)的壓力測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，硅集成壓力傳感器MPX4115采集的壓力數(shù)據(jù)，在通過(guò)ADC0832完成A/D轉(zhuǎn)換后，將送至單片機(jī)AT89C51，完成數(shù)據(jù)的輸出和顯示。圖3中雖然忽略了硅集成壓力傳感器的濾波電路(RC電路)，MPX4115仍然能夠正常工作，因此認(rèn)為基于Proteus的仿真設(shè)計(jì)更專注于程序的測(cè)試，某種程度上可以弱化電子電路的部分硬件功能，為軟件設(shè)計(jì)者提供便利。

圖3 壓力測(cè)試系統(tǒng)的Proteus仿真

4 Labview軟件的仿真實(shí)例

與前兩類仿真軟件相比，利用虛擬集成環(huán)境Labview軟件能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)的采集、處理和顯示推動(dòng)到更高的設(shè)計(jì)水平。利用Labview軟件進(jìn)行傳感器項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要配置數(shù)據(jù)采集通道、構(gòu)建傳感器的調(diào)理電路、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的圖形監(jiān)控界面、繪制處理數(shù)據(jù)的程序框圖等。在相關(guān)設(shè)計(jì)中，Labview軟件除了能夠完成溫度、濕度、壓力、液體流量和光強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集，還可以完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)等功能。

采用Labview仿真實(shí)現(xiàn)的溫度采集電路如圖4所示，設(shè)計(jì)中通過(guò)第一層while循環(huán)實(shí)現(xiàn)程序的外重循環(huán)，通過(guò)第二層分支結(jié)構(gòu)判斷能否開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，利用第三層的層疊結(jié)構(gòu)依次執(zhí)行3個(gè)子程序，并由第四層for循環(huán)中完成100個(gè)溫度的樣點(diǎn)采集，最后由第五層決定報(bào)警、溫度轉(zhuǎn)換及暫?？刂剖录欠癜l(fā)生。此外采集的溫度數(shù)據(jù)可以通過(guò)文本文檔保存。

如圖5所示，利用Labview的前面板控件，設(shè)計(jì)者能夠輕松完成數(shù)據(jù)采集的通道設(shè)置、溫度的上限設(shè)置、溫度的轉(zhuǎn)換設(shè)置、啟?？刂埔约帮@示報(bào)警設(shè)置，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)監(jiān)控界面。

圖4 溫度采集電路的Labview仿真

圖5 溫度采集界面的前面板設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，適用于傳感器課程項(xiàng)目式教學(xué)的仿真軟件還有很多，與仿真軟件配套的硬件設(shè)備也將層出不窮。根據(jù)學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)層次，選取合適的仿真工具輔助實(shí)驗(yàn)逐漸成為教學(xué)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也成為學(xué)習(xí)者順利完成項(xiàng)目的重要保障。然而在更多的實(shí)踐過(guò)程中，仿真軟件仍不可能預(yù)見(jiàn)所有的困難，建議在成功完成仿真作品之后，根據(jù)設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的實(shí)物制作，及時(shí)總結(jié)仿真與實(shí)物作品間的區(qū)別與聯(lián)系，這將有助于建立傳感器課程高質(zhì)量、高效率的實(shí)驗(yàn)體系，加速推進(jìn)傳感器課程的教學(xué)改革之路。

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Design and Research on Simulation Experiment of Sensor Technology

ZHANG Jingjinga,LI Yongweib

(a.College of Computer and Information Engineering; b.Mechanical Transportation College,Xinjiang Agricultural University, Urumqi, 830052)

As an important experimental tool for the teaching of sensor courses, the application of the simulation software can help learners to deepen the understanding of the sensor’s principle and characteristics, and simultaneously promote the development of the experimental process efficiently and economically.In this paper, we take the NI Multisim simulation software, Proteus simulation software and Labview simulation software as the examples, to illustrate the necessity that different design levels need to select different simulation software in the project design, and we also design an easy operation simulation experiment system for the sensor course teaching.

sensor technology; simulation software; project teaching; NI Multisim; Proteus; Labview

2015-08-27；修改日期:2015-10-03

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新辦專業(yè)專業(yè)課程建設(shè)項(xiàng)目(2015XBZY07)資助。

張婧婧(1981-)，女，碩士，講師，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)、嵌入式理論與應(yīng)用方向的研究工作。

TM343;G

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.014