Proteus在《傳感器與檢測技術》教學中的應用

王林泓

摘 要：將Proteus仿真軟件引入到傳感器的教學中，以熱電偶傳感器為例，通過對熱電偶特性及以熱電偶為檢測單元的測溫系統的仿真，將抽象的教學內容與實際設計有機的結合起來。實現了虛擬仿真和實際制作的無縫對接，提高了學生的學習興趣及問題分析能力，具有較好的推廣意義。

關鍵詞：Proteus仿真軟件 傳感器 熱電偶

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0143-04

1 Proteus仿真軟件引入傳感器的教學

Proteus嵌入式系統仿真開發(fā)平臺是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，是目前世界上最先進，最完整的嵌入式系統設計與仿真平臺之一。從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。Proteus仿真軟件可以進行電子線路的仿真與設計[1-3]（包括電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等電路的設計仿真） 和單片機系統仿真[4]。使用Proteus軟件進行傳感器及其檢測電路設計是虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運用[5-7]，有利于培養(yǎng)學生對傳感器檢測電路的設計能力及仿真軟件的操作能力；在教學實踐環(huán)節(jié)中，Proteus仿真軟件在理論教學與硬件制作之間建立了一座橋梁，使學生對傳感器的學習更易理解，更容易提高。教學實踐表明，將Proteus引入到傳感器的教學中，極大提升了學生對傳感器學習的興趣，而進行系統仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作能極大提高系統設計效率。本文以工程上廣泛應用的熱電偶溫度傳感器測溫電路的Proteus仿真為例進行介紹。

2 Proteus軟件中的溫度傳感器

2.1 Proteus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。常用溫度傳感器見表1。

2.2 熱電偶

兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合形成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。

熱電偶符號及Proteus軟件中熱電偶的圖形如圖1所示。

采用Proteus軟件對熱電偶進行仿真時，通過上下箭頭調節(jié)溫度，再用電壓表即可觀察熱電偶輸出熱電勢與溫度的關系。

3 熱電偶測溫儀的仿真

熱電偶的輸出電壓是mV級的，因此需要進行放大。與熱電偶配對使用的放大器包括AD594和AD595。其中AD594與J型熱電偶配對使用，AD595與K型熱電偶配對使用。本文以AD594與J型熱電偶的配合使用為例，介紹熱電偶測溫電路的設計方法及工作過程在Proteus仿真軟件中的實現。

設計的熱電偶溫度計包括J型熱電偶，J型熱電偶放大器AD594，顯示模塊ICL7135及驅動電路。測溫及熱電偶狀態(tài)監(jiān)測電路如圖2所示。該電路的工作原理如下：J型熱電偶的一對導線末端點作為熱電偶的連接點，它是AD594進行補償的接點。此點需與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。當熱電偶的一條或兩條引線斷開時，AD594的12腳變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^三極管電路控制555報警電路發(fā)出警報聲，提示用戶熱電偶出現了斷線故障。

在圖2中如果斷開熱電偶的一根連線，仿真運行后可以聽到揚聲器發(fā)出聲音，從而模擬的實際應用中熱電偶斷線或沒有連接好的故障。通過圖2可以讓學生了解并感知熱電偶工作狀態(tài)檢測的方法。

熱電偶放大器AD594和AD595輸出電壓與熱電偶輸出電壓的關系如式（1）所示：

AD594輸出 = （J型電壓+16?V）×193.4

AD595輸出=（K型電壓+11?V）×247.3 （1）

熱電偶的溫度每變化1℃，AD594的9腳就有10mV的電壓輸出，該電壓經過1Ω電阻加到數字顯示電路ICL7135的輸入端9腳和10腳，如圖3所示。ICI7135是4位雙積分A/D轉換芯片，可以轉換輸出±20000個數字量，有STB選通控制的BCD碼輸出，與微機接口十分方便。ICL7135的轉換速度與時鐘頻率相關，在仿真電路中轉換時鐘頻率為125KHz。其輸出的數字量=10000×（VIN/VREF），在本例中VREF=2.5。

圖3中7447芯片是BCD碼轉換成7段LED數碼管的譯碼驅動芯片，7447的主要功能是輸出低電平驅動的顯示碼，用以推動共陽極7段LED數碼管顯示相應的數字。在熱電偶溫度計仿真電路中數碼管顯示的是ICL7135輸出的數字量，顯示電路如圖4所示。

通過上述熱電偶測溫電路的仿真，學生不僅可以了解到熱電偶測溫的原理，還可以了解熱電偶工作狀態(tài)在線監(jiān)測方法。當把仿真電路進一步制作成實物時，學生可以參考仿真電路對實際電路進行相關測量及故障排除。由于仿真電路中數碼管顯示的并不是溫度，還需要經過一定的推導。因此在教學的過程中可以引導學生利用熱電偶分度表的知識、AD轉換數字量計算方法等知識融合起來，進行溫度推算。在這個仿真電路中不利用單片機就可以實現一個完整的系統，因此對還沒有學習單片機的學生，是一個很好的例子。這個仿真項目在學生學習了單片機課程后可以進行適當的修改，采用液晶屏直接顯示溫度值。endprint

4 Proteus仿真軟件對傳感器教學的意義

（1）實現了電子類課程的融合。傳感器的應用本身融合了電路分析、模擬電子技術、數字電子技術及單片機等課程的知識。通過在多功能綜合仿真軟件中搭建相關檢測電路，可以進一步加深學生對相關知識的理解和應用。

（2）使得翻轉課堂的形式更容易實現。通過將仿真任務提前布置給學生，學生在課下可以在電腦上完成電路的仿真，對照給定的原理圖，學生在繪圖的過程中需要有細致認真的學習態(tài)度。在課堂上學生可以結合仿真中的問題和對電路工作原理提出疑問。由老師進行解答，同時引導學生思考電路中某些重要參數設計的方法和技巧。將答疑，啟發(fā)，引導的教學方法與軟件仿真相結合，給學生提供了更多的思維活動空間，充分發(fā)揮學生學習的積極性，主動性。

（3）實現了虛擬仿真和實際制作的無縫對接。利用Proteus軟件，可以仿真不同種類的傳感器的性質，模擬傳感器的工作過程，構建依據傳感器的檢測系統。對仿真軟件中沒有的傳感器類型，可以根據其特性用軟件中現有的器件來代替。在對檢測電路仿真無誤后，可以進行實際電路的制作與調試，從而把虛擬仿真和實際制作及調試相結合，不但能降低實驗成本，而且能提高學生學習的興趣。把Proteus仿真軟件應用于傳感器教學中，在虛擬仿真和實物制作之間實現了無縫對接，增強了學生的學習興趣。

5 結語

傳感器及其應用課程是一門重視系統設計和應用的課程。利用仿真技術設計一個以傳感器為感知端的檢測系統，對于培養(yǎng)學生建立系統的概念，把抽象的概念具體化都有重要的意義，同時有效地延伸了實驗時間和拓寬了實驗場所。通過教學實踐證明，在溫度傳感器的教學引入Proteus仿真教學，降低了教學難度，提升了學生的學習興趣，教學效果得到了提升。

參考文獻

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