基于Proteus仿真技术在传感器教学中的应用

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　　摘 要
　　针对传统传感器课程教学中存在的问题，提出了应用Proteus仿真软件进行传感器教学的思路，并通过实例讲解使用Proteus提供的仿真技术进行传感器电路设计与调试，能够有效激发学生的学习興趣，提高其综合分析与研判能力，并能够节约教学成本，增强教学效果。
　　关键词
　　传感器;Proteus;仿真
　　中图分类号： TP212-4;G434                文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.005
　　0 引言
　　传感器技术及其相关课程是理工大学自动化、物联网及电气机械等专业的核心课程。又是理论与实践结合比较强的专业课。本课程涉及的知识点多、范围较大， 基于传感器的应用场合十分广泛，不同类型的传感器教学内容相对独立，缺乏系统性和延续性。因此决定了该课程与实际工作环境结合非常紧密，并且传感器学习中涉及的电路分析比较多，但有时课堂条件又不允许占用太多时间用于实物电路的构建及演示，以上特点决定了在传感器教学中的难点较多及直观性不足。作为对策，在传感器教学中引入Proteus仿真软件，设立虚拟实验室实现辅助教学，在弥补传统的教学方法不足的同时，为理论和实践教学提供可靠的教学平台。
　　1 传感器传统教学存在的问题
　　（1）理论教学存在的问题传感器课程涉及的知识面广、部分内容比较枯燥，对抽象思维和综合分析思维要求较高，学生感到难入门、老师感到难教学。因此在教学过程中就非常有必要将教学效果更加直观地展示给学生。以往，教师一般会把课件和视频教学应用在课堂教学上。但缺乏变化效果往往不理想。所以传统教学缺乏有效的能实时反应传感器工作过程变化的演示方法，基本是纯理论的语言描述，缺乏直观对象的载体，让学习者不好理解。
　　（2）实训教学中存在的问题。大多数学校的传感器实践环节使用面包板或者万能板制作应用电路，这种实验方法虽然简单方便，但是也存在不足。首先，采用实物元器件构建实训电路，由于人为操作或元器件寿命老化等原因，必然会导致元器件或实验仪器的损坏，增加教学成本;其次，设计的传感器电路多种多样，涉及的元器件种类繁多，全元器件准备不太现实，只能准备常用的电子元件，采购急需使用的元件存在时间的滞后，因此对实践内容造成了很大的制约;最后，实训电路的构建只能在实训室进行，实训室预约困难及课程实训教学时间有限，传统的实物元器件实训也限制了学生在课后进行传感器电路构建的学习。因此传统的传感器实训教学存在着很大的不足。
　　2 Proteus在传感器教学中的应用
　　2.1 在教学中引入"以培养核心能力为目标"的项目教学法
　　项目教学，是把某一专业课程分类成若干技术或技能单元，把每项技术或技能单元作为一个教学项目，实行理论、实践一体化的单元式教学，各单元的教学都应用该技术或技能完成工作，并对其进行分析。简单来说，项目教学是教师和学生为完成具体工作任务而开展的教学行为。项目教育是一种方法，也是一种方案。其目的是有机地结合理论和实训于教学过程中，挖掘学生的潜力，训练学生解决实际问题的综合能力。
　　要注意的是，在应用项目教学法学习传感器的过程中，学生首先必须对传感器与电子元器件具备一定的知识和了解，并且比较熟悉软件Proteus的一般操作，也就是能将传感器的具体电路通过软件Proteus绘制出来，而不用制作具体的电路板，使项目实施更加快捷、方便和经济。
　　2.2 将 Proteus引入传感器课堂教学
　　首先，在传感器课堂教学中引入Proteus辅助教学，可以进行大量实例仿真演示，将原本用语言描述不够详细的内容，直观地仿真出来，特别不容易感知的如电流、电压大小的变化，可以通过Proteus自带的虚拟仪表显示出来，提高了教学过程的生动性和直观性。还可以通过提前制作一些典型的应用电路，比如电阻直流电桥电路、光耦器件电路、光敏电阻电路等，学生可以直观地观察传感器的工作原理。其次，Proteus具有色块状态辅助功能。在仿真过程中，管脚旁边小方块的颜色显示其电平状态：如红色代表“1”，蓝色代表“0”，灰色代表高阻状态，黄色则表示冲突。辅助色块便利了用户的调试、分析和演示。同时，采用Proteus辅助教学有利于学生明确概念，解决学习难点。在传感器教学中，用于处理传感器输出的信号处理电路，由于信号处理电路的多样性、实物构筑的复杂性和为成本考虑的经济性，往往成为教育上的难点。传统的教学更多的是从原理上对其进行定性的分析讲解，学生学习时不够直观。引入Proteus辅助教学后，就可以自由构建传感器的信号处理电路，如图1所示信号放大电路等。还可以自由更换电子元器件如运算放大器芯片的型号、电源供电方式等，以达到电路的对比及性能指标的要求。如原电路采用的运算放大器是LM358N，可以更换为LM324;原电路是+12v单电源供电，可以更改为±12v双电源供电等。同时通过投影演示等方法给学生观察运行结果。待工程文件分发后，学生也可以自行对电路进行改进，学生参与操作仿真，显示直观清晰，学生通过参与操作和观察结果，不仅掌握了知识点，也提高了学习的能动性，能获得更加良好的教学效果。
　　2.3 用Proteus改进实践教学
　　采用仿真软件Proteus构建虚拟实验室，由于软件所带元件库元器件比较充分， 这样使得Proteus几乎可以仿真传感器课程的所有知识点，运用时就具有较大的灵活性和较宽的适应性，这就为传感器的实践教学带来很大优势。在学习过程中，学生可灵活采用Proteus所提供的元器件仿真模型和自定义模型设计硬件电路图，同时进行仿真调试，并能及时看到运行结果。这样的教学方法一方面让学生了解传感器电路的结构，发现问题和解决问题的能力得到了锻炼;也给学生提供了较大的自我学习空间。例如：I/V转换电路的构建，利用了运算放大器构建了一个传感器应用里面常用的将4～20mA电流转换为0～+5v的电路。以前的教学实践是直接采用实际元器件在电子"面包板"上进行构建。鉴于元器件、导线和"面包板"天然经常性的接触不良、学生接线错误及元器件损坏等原因，最终成功率普遍不高。采用Proteus软件的虚拟元件及仿真功能后，杜绝了元器件间连线的接触不良及元件损坏的干扰，成功率大幅提高。图2，I/V转换电路。Proteus仿真动态直观，测量和调试统一，过程和结果统一，有助于学生的感性理解和接受。学生增强了学习的信心，多个学习难点逐步在实践中得到解决。 　　在教学中引入Proteus仿真软件，减少了学习过程的设备限制和时间限制，扩大了学习的时间和空間。只要有电脑，学习者就可以充分利用课余时间在自己的电脑上随时进行学习和仿真。节省了大量的元件和设备的投资。还能避免实训的各种危险。同时，还可以拓展开放性的教学。开放式教学主要包括两种形式：一是实训课没有完成的实验内容，或者是虽然完成了，但是还存在疑问的。二是对传感器学习感兴趣，在原有传感器学习的基础上，在老师的指导下，自己动手设计进行其他传感器电路的分析与开发的，拓展学生的课外学习内容，鼓励学生参加科技兴趣小组活动。
　　3 Proteus的教学应用效果
　　没有应用Proteus前，学生普遍反映传感器内容难学难记，引入Proteus仿真教学后，学生比以往更容易接受单纯的理论知识学习。Proteus使抽象内容形象化，使重点易懂，难点更容易化解。其极为真实的动态演示激发了学生的学习兴趣和积极性，使教学质量提高明显。引入Proteus使每个学生只需拥有个人电脑就能拥有一个完整的虚拟实验室，学生可在Proteus原理图设计窗口中大胆进行设计修改和调试，而不用担心会损坏电子元件和仪器仪表。实际结果与仿真结果统一，在制作实物电路前就可以看到仿真结果， ，保证了成功率的很高。学生的胆子变大了，独立操作能力、学习的主动性和创造力都得到了充分发挥。
　　因此，Proteus仿真促使了传感器实训课程的成功，提高了学生对传感器电路的深入理解、也提高了学生对传感器电路的设计和制作调试能力。事实充分证明： Proteus是学生在传感器学习中学与用、理论与实践相结合的优秀学习平台。
　　4 结束语
　　Proteus的操作简单易上手，对初学者特别适用，其革命性地改变了传统电子电路的学习和开发方式，大部分情况下可以在没有硬件支持的基础上进行数字及模拟电路的设计开发，大幅缩短了研发周期，节省了开发成本。Proteus在传感器及相关实训教学环节的有效应用，使得学生较为高效地掌握所学知识，减少了学生在学习过程中从理论知识到实际应用过渡的时间，提高了学习效率，促进了课程学习和教学改革，增强了学生的学习兴趣和创新能力。但必须明确，仿真只是无限接近结果但并不能完全代替实物验证，只有将Proteus的仿真结果指导应用于具体电路的学习和开发，才能真正提升学生的电子电路综合开发和传感器应用能力。
　　参考文献
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