基于Proteus軟件的傳感器仿真實踐教學研究

葉 莖 李云平 谷玉玲

(武漢軟件工程職業(yè)學院， 湖北 武漢：430205)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，教育數(shù)字化和智能化的時代來臨。使用在線課程資源，采用翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合教學模式[1]，靈活地結(jié)合手機、平板等移動終端[2]，是專業(yè)課程教學發(fā)展的新趨勢。為適應(yīng)線上線下教學需要，仿真實踐教學通過在計算機上模擬現(xiàn)實儀器設(shè)備的操作及實驗效果[3]，突破了環(huán)境的限制，已得到廣泛應(yīng)用。在仿真實踐軟件中，Proteus是集電路設(shè)計、單片機編程于一體的通用軟件，可以聯(lián)調(diào)電路元件、單片機代碼并協(xié)同仿真，只需要普通計算機就可以運行，非常適合教師低成本開發(fā)仿真實踐教學資源，其虛擬元件庫包含了一些常用的傳感器元件。隨著制造業(yè)智能化的發(fā)展，傳感器在智能制造、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)中起到重要的數(shù)據(jù)采集、信息監(jiān)控、開關(guān)檢測等作用[4]。工科專業(yè)傳感器課程的實踐教學，因存在缺乏實踐設(shè)備、耗材，缺少自主設(shè)計的實踐項目等問題，急需開發(fā)在線仿真實踐教學項目，以豐富在線教學資源。因此，對基于Proteus軟件的傳感器仿真實踐教學進行研究，具有廣泛的教學應(yīng)用價值，并能推廣到其他相關(guān)課程。

1 傳感器仿真實踐教學存在的問題

傳感器仿真實踐教學通過各種傳感器應(yīng)用電路，驗證傳感器的原理和功能。傳感器電路元器件或開關(guān)，與單片機或可編程控制器結(jié)合起來，能實現(xiàn)多種檢測功能。傳感器實踐類項目常常設(shè)計為實驗，或結(jié)合相關(guān)專業(yè)課程進行綜合實訓，目前仿真實踐教學還存在著如下問題。

1.1 仿真平臺缺乏

傳感器實驗多數(shù)完成一些原理驗證性實驗，以線下教儀設(shè)備操作為主，沒有廣泛使用的、專門針對傳感器的仿真軟件，所以傳感器仿真實踐教學平臺是缺乏的。但可使用其他相關(guān)仿真軟件，包括用于傳感器數(shù)據(jù)采集的圖形化編程仿真軟件LabView，用于單片機仿真電路的軟件Proteus，用于大型控制系統(tǒng)的可編程控制器仿真軟件等等。教師可根據(jù)實踐設(shè)備、學生學情和教學需要，挑選合適的仿真軟件平臺。

1.2 綜合性難度大

傳感器實踐項目需綜合電路、計算機、單片機或可編程控制器等多門專業(yè)課知識，實現(xiàn)傳感器的檢測功能，綜合性難度大。傳感器作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，教師進行仿真實踐教學時，需講述其他多門專業(yè)課程知識，才能使學生完成仿真實踐的學習和操作，這對師生都提出了挑戰(zhàn)。

1.3 完成時間不夠

傳感器仿真實踐內(nèi)容包括仿真電路的設(shè)計、軟件的調(diào)試、結(jié)果的整理、計算和畫圖。為使學生自主完成學習內(nèi)容，教師需花費不止一次課的時間分別進行教學，完成時間不夠會影響實踐教學的連續(xù)性。另外，教學面向多種類型的傳感器，同一個傳感器的實踐項目，花費時間過長也會造成學時緊張。如何縮減學生仿真實踐學習的內(nèi)容和時間，也是一個需要思考的問題。

2 基于Proteus軟件的傳感器仿真實踐教學研究

傳感器仿真實踐教學，適合全線上模式，或者線上線下混合教學模式，要求師生準備好安裝了專業(yè)軟件的電腦，并建議學生分組以團隊協(xié)作形式完成學習內(nèi)容。教師可結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂模式[5-6]，采取課前重難點導學、課中討論、課后作業(yè)、課余答疑的方式進行教學；如采用全線上模式教學，還需用直播、學習群答疑等多種手段輔助教學。

2.1 仿真軟件的選擇

LabView軟件功能強大，可模擬各種虛擬儀器儀表的檢測，但編程難度高；Proteus軟件能結(jié)合電路模擬單片機程序運行，操作容易，仿真結(jié)果直觀?？删幊炭刂破鞯姆抡孳浖N類較多，以可編程控制器應(yīng)用為主，傳感器往往模擬為普通開關(guān)，受到一定局限?？紤]到上傳感器課程時，學生往往已學習了電路、計算機基礎(chǔ)知識，因此學習重點以傳感器原理、性能為主，難度不宜太高，選擇Proteus軟件進行仿真教學，教師能靈活掌握教學難度，幫助學生聯(lián)系所學的電路、計算機知識，直觀形象地看到仿真結(jié)果。學生通過使用Proteus軟件實現(xiàn)課上完成部分自主設(shè)計內(nèi)容，課下進一步拓展，學習的難度和節(jié)奏可自主調(diào)整。與其他仿真軟件相比，Proteus軟件體積較小，易安裝、上傳，在單片機實踐仿真中廣泛應(yīng)用，項目資源豐富，能為建設(shè)傳感器仿真實踐教學資源提供較多選擇和便利。

2.2 仿真資源的建設(shè)

圍繞Proteus軟件建設(shè)仿真資源，以上傳指導書、電子教材、課件或視頻為主。第一步建設(shè)軟件安裝、新建、調(diào)試等項目基本操作內(nèi)容；第二步建設(shè)電路圖、程序等項目核心設(shè)計內(nèi)容；第三步建設(shè)仿真實踐案例等項目拓展內(nèi)容，如講述傳感器實踐項目運行原理、實現(xiàn)功能、調(diào)試操作的微課或動畫等。針對綜合性難度大的問題，教師可采取適當措施降低難度，減少工作量，如給出電路原理圖和部分程序，讓學生修改、調(diào)試；或給出全部程序，略過編程，讓學生設(shè)計電路原理圖，學習傳感器的接線引腳及工作電路。針對完成時間不夠的問題，教師可將學習內(nèi)容分類標注為課上和課下完成部分，利用線上資源導學、翻轉(zhuǎn)課堂教學模式等方法來縮減線下課堂學習內(nèi)容，或轉(zhuǎn)移部分學習內(nèi)容至課下由學生自主完成。

2.3 仿真教學的設(shè)計

教師針對學生的學情和課堂表現(xiàn)，可設(shè)計學習共性任務(wù)和個性任務(wù)，來靈活調(diào)整教學內(nèi)容。共性任務(wù)難度較低，是學習的基本要求；個性任務(wù)難度較高，屬于學習拓展，分配給學有余力的學生自我挑戰(zhàn)、自主完成。仿真教學設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面，具體設(shè)計如下。

在硬件設(shè)計方面，共性任務(wù)為傳感器局部電路設(shè)計，個性任務(wù)為單片機相關(guān)電路設(shè)計。硬件設(shè)計根據(jù)Proteus元件庫是否包含教學中使用的傳感器元件分為兩類：第一類元件庫中有對應(yīng)的傳感器元件，第二類元件庫中沒有對應(yīng)的傳感器元件。第一類以數(shù)字溫度傳感器DS18B20和數(shù)字壓力傳感器MPX4250為例，它們在Proteus元件庫中均有對應(yīng)的虛擬元件，可直接調(diào)用，如圖1所示。圖1(a)中DS18B20所測量的溫度數(shù)據(jù)從DQ端輸出，用一個虛擬示波器觀測，接到單片機I/O端并顯示。圖1(b)中MPX4250所測量的電壓數(shù)據(jù)從1引腳輸出，用一個虛擬電壓表觀測，接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，輸出數(shù)字電壓至單片機I/O端并顯示。兩者均可通過虛擬元件的上、下箭頭符號分別進行檢測數(shù)值大小的增、減調(diào)節(jié)，模擬線下傳感器檢測中溫度、壓力的變化過程。第二類以超聲波傳感器檢測距離為例，超聲波傳感器在Proteus元件庫中沒有對應(yīng)的虛擬元件，只能通過555定時器電路，模擬其發(fā)送、接收的方波信號，如圖2所示。該信號從555定時器Q端輸出，用一個虛擬示波器觀測，接到單片機I/O端并顯示。方波上升沿表示傳感器信號的發(fā)送，下降沿表示接收，脈寬為發(fā)送到接收所需的時間，一個方格時間為20ms。通過調(diào)節(jié)電路中電位器RV1阻值大小，使方波的脈寬變化，模擬不同距離時，超聲波信號從發(fā)送到接收所需的時間變化，再通過單片機程序根據(jù)公式計算超聲波傳感器檢測的距離：距離=波速×時間/2，從而獲得超聲波傳感器測量距離的仿真結(jié)果。

圖1 Proteus溫度傳感器和數(shù)字壓力傳感器接線圖

圖2 Proteus超聲波傳感器模擬電路和方波信號

在軟件設(shè)計方面，共性任務(wù)為傳感器應(yīng)用程序，個性任務(wù)為單片機其他相關(guān)程序，教師設(shè)計補全或修改的程序任務(wù)，讓學生進行傳感器應(yīng)用程序的補全、修改及調(diào)試。以數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例，軟件設(shè)計主要包括：LCD液晶顯示、DS18B20傳感器讀寫和溫度報警程序。讓學生根據(jù)當前室溫，設(shè)計不同溫度下的報警程序并檢驗效果。以數(shù)字壓力傳感器MPX4250為例，該程序設(shè)計與DS18B20類似，在已完成溫度傳感器程序任務(wù)的前提下，讓學生修改溫度報警程序為數(shù)字壓力報警程序，設(shè)計不同的壓力閾值報警功能并檢驗效果。以超聲波傳感器為例，軟件設(shè)計主要包括：LCD液晶顯示、超聲波脈寬時間、測量距離計算和距離報警程序，讓學生設(shè)計不同距離下的報警程序并檢驗效果。已完成共性任務(wù)的學生，可增加單片機讀寫、計算程序的個性任務(wù)，如單片機溫度、壓力采樣平均值，超聲波檢測距離的公式計算、修改程序等。

2.4 成績評價及學習效果

仿真實踐項目的成績評價以報告打分的形式體現(xiàn)。教師通過線上教學的云課堂以實踐項目為名布置作業(yè)，學生以小組團隊形式完成后，先組內(nèi)自評、互評，再以每人一份報告的形式將所畫的電路原理圖、實現(xiàn)的功能、核心程序、組內(nèi)完成的工作、遇到的問題及解決方法進行總結(jié)，由教師在線批閱、打分，進行成績評價。從已實施的傳感器仿真實踐教學查看學習效果，大多數(shù)學生能較好地完成傳感器電路設(shè)計部分，涉及到單片機程序及調(diào)試部分，難度偏高，只有少部分學生能完成拓展內(nèi)容。通過學習，學生的仿真、編程和自主設(shè)計能力均有所提高，能進一步理解傳感器的接線、原理及應(yīng)用知識，獲得傳感器實踐操作經(jīng)驗。

3 結(jié)束語

在教育信息化的要求和背景下，師生線上線下互動，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教改，具有積極的探索意義。基于Proteus軟件，對仿真實踐薄弱的傳感器課程，進行仿真實踐教學的研究，能幫助解決缺乏實踐設(shè)備和實踐項目的教學問題；有針對性地引導學生自主學習、實踐操作，培養(yǎng)學生綜合設(shè)計與創(chuàng)新的能力。傳感器仿真實踐教學既可作為獨立的線上實踐教學內(nèi)容，也可作為線上線下混合式實踐教學內(nèi)容的補充，為傳感器理論和實踐教學發(fā)展提供了經(jīng)驗參考。