摘" 要：针对目前传感器原理及应用课程实践教学受空间和时间的约束难以拓展的问题，分析了采用传统实验箱模式存在的问题，提出了基于“虚实结合”的实践教学模式。介绍了虚实结合实践模式中课程配套实验板的设计及实践教学流程，并以“PT100测温仪的设计”实验项目为例详细介绍了具体实施过程，包括电路设计、仿真验证、硬件测试和项目实战。实践证明采用“虚实结合”的实践模式，能很好地满足新工科背景下对应用型人才实践能力和创新能力的培养要求。
关键词：传感器；虚实结合；实践教学；自主设计
中图分类号：TP212；G642" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）21-0194-05
Practical Teaching of Combination of Virtual and Real Sensors in the Context of New Engineering
—Taking the Course of Principles and Applications of Sensors as an Example
SONG Zhiyong
（Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou" 350002， China）
Abstract： In view of the problem that the practical teaching of the course of principles and applications of sensors is difficult to expand due to the constraints of space and time， the problems existing in the traditional experiment box mode are analyzed， and a practical teaching mode based on the “combination of virtual and real” is proposed. This paper introduces the design and practical teaching process of the course supporting experiment board in the combination of virtual and real practice mode， and takes the experimental project of “PT100 Thermometer Design” as an example to introduce the specific implementation process in detail， which consists of circuit design， simulation verification， hardware testing and project practice. Practice has proved that the practice mode of “combination of virtual and real” can well meet the cultivation requirements of practical ability and innovation ability of applied talents in the context of new engineering.
Keywords： sensor; combination of virtual and real; practical teaching; independent design
0" 引" 言
传感器原理及应用课程是电子信息工程专业的专业选修课程，课程主要介绍电阻、电容、电感等各类传感器的原理及应用。传统的教学过程把教学的重点放在了传感器的原理上，在传感器原理的相关推导上用了大量的时间，而传感器的应用只是简单的介绍。学生听完也不懂如何去使用传感器，更无法将课堂所学内容用于实际的应用中。这种模式对于应用型本科的学生来说是不适用的，为此进行了应用型课程改革[1]，将教学的重点放在传感器的应用上。课程采用项目式教学，每类传感器都有具体的案例，这些案例具体地介绍传感器信号调理电路的设计及器件选型等。在传感器课程的实践环节还是采用传统的实验箱模式，理论课程的教学内容与实验项目不匹配，实践效果差。
1" 传统实验箱教学模式的问题
传统的传感器实验箱实践教学模式教学主要存在以下问题[2-5]：
1）实验内容陈旧，以验证为主，与工程实践脱节严重。
2）实验过程只是进行简单连线，实验箱对于学生就像个黑盒子，实验箱内部的电路是什么样的与电路为何是这样设计，学生都不懂。实验中学生也无法按照自己的想法去修改电路。后期学生更无法自己去设计传感器的信号调理电路，无法与传感器的工程应用相结合。
3）实验内容落后无法与理论课程衔接随着集成电路的发展。传感器信号调理电路的设计发生了很大的变化，而且实际应用中都是利用单片机来测量电压或频率等号，再进行数据处理转换成相应的测量参数值[6-7]。实验箱的项目几乎从来没有更新过，与现有的理论课程的案例不匹配。
在新工科教育背景下的应用型人才教育更加强调实践能力和创新能力培养[8-9]，实验教学是培养应用型工程人才的必要环节，也是高校新工科建设的重要部分[10]。采用传感实验箱实践模式已无法满足应用型人才培养的要求。
2" 虚实结合的实验环境的搭建
针对上述问题，提出了基于“虚实”结合的传感器实践教学模式。“虚”指利用Multsim软件进行仿真，“实”指利用自主设计的传感器模块+单片机实验板进行实际的测量实验。在传感器原理及应用理论课程中采用项目式教学的方式介绍了各类传感器的设计，每个案例都有设计出具体的硬件实物。课程实践环节的目的是让学生充分理解这些电路的设计，并能够自己设计类似的信号调理电路。为了让学生充分理解传感器信号调理电路的设计，实验时在Multsim软件中对传感器的信号调理电路进行仿真，学生如果对一些器件的选型有困惑，这时可以利用参数描述功能分析某个器件参数对电路性能的影响，或者也可以按照自己的理解去修改电路。之后通过实际的传感器信号调理模块让学生从仿真走向现实。
实验环节中设置了3个与理论课程配套的实验项目，如表1所示，包含了常见温度、质量、心率的测量。传感器的信号调理电路中包含了基本的放大电路、仪表放大电路、单电源供电的交流放大电路等。数据处理中包含了电压的测量、滤波算法、零点跟踪、曲线拟合及频率测量等。整套实验板采用单片机主控板+各类传感器模块的形式进行设计，主控板与传感器模块之间采用XH2.54带方向的座子进行连接，接线简单，同时也便于后面传感器模块的升级换代。
2.1" 单片机主控板的设计
如图1所示，单片机主控板用于传感器模块输出的数据的采集、数据处理及显示等。主控板采用STC15系列51单片机IAP15W4K58S4。板子上有数码管、OLED屏、矩阵按键、电容式触摸按键、485接口及USB转串口等模块，同时采用XH2.54接口引出各类接口可以接模拟量输出的、数字量的、SPI和I2C接口的各类传感器模块，可以用于各类传感器的数据采集、组网等。该板也是微机原理及应用课程配套的实验板。
2.2" PT100测温仪实验模块设计
PT100测温仪模块用于将PT100传感器0～200 ℃范围内的电阻值（100～175.86 Ω）转换成0～3 V的电压信号。模块原理图如图2所示，由恒压源及电桥电路、放大电路及二阶有源滤波电路组成。采用TL431构成4.3 V的恒压源为电桥供电，采用恒压电桥将PT100的电阻值将换成0～64 mV的电压，利用同相放大电路将0～64 mV的信号放大47倍到0～3 V，最后利用截止频率为16 Hz的有源二阶滤波电路滤波将信号中的高频噪声波除。设计好的PT100测温模块如图3所示，该模块中还包含了NTC热敏电阻的信号调理电路。在Multisim软件中可以测试电压桥臂比对电桥线性度的影响、运放输入电阻对放大性能的影响，三线制接法对引线电阻的抑制效果等。单片机的编程主要涉及曲线拟合、查表法、滤波算法等。
PT100的阻值与温度的关系是确定的，可以利用电阻箱模拟不同温度下传感器的输出。，实际的电阻箱体积大操作不便，为此设计了便携式的电阻箱。利用0.1%精度的1206电阻设计并制作电路箱，如图4所示，电阻箱电阻值从0.1～100 kΩ每位都可以调节，最大999.999 9 kΩ，可以用于P100及NTC热敏电阻传感器的测试。采用四线制接法引出，可以根据实际需要接成两线制、三线制或四线制。
2.3" 电子秤实验模块设计
电子秤实验模块主要由AD620仪表放大电路、有源二阶滤波电路、18位的A/D转换芯片MCP3421和电源电路组成，图5为该模块的核心电路：放大及滤波电路。实验时采用量程为0～1 kg灵敏度约为1 mV/V称重传感器模块，利用LP2985-ADJ芯片为称重传感器提供4 V的电压，称重传感器满度输出电压4 0.4 mV，MCP3421的基准电压为2.048 V，保留一定的裕量将AD620的放大倍数设为250倍，因此AD620的增益电阻阻值设为200 Ω，在AD620的输入端增加差模截止频率为7.6 Hz共模截止频率为160 Hz的滤波器，在AD620的输出端再增加截止频率为16 Hz的二阶有源低通滤波器。设计好的模块如图6所示，左边的端子接称重传感器，右边的端子接单片机主控板。在Multisim软件中分别利用普通差动放大电路、分立三运放构成的仪表放大电路和AD620仪表放大电路对电桥进行放大，并通过Multisim软件的参数扫描功能对这三种电路的性能进行比较，同时测试电桥输出信号的共模电压对仪表放大电路输出电压的影响。单片机的编程主要涉及自动标定程序、滤波算法、零点跟踪算法等。
2.4" 红外心率计模块的设计
红外心率计模块主要由TCRT5000构成的心率采集电路及两级带通放大电路给成。利用TCRT5000光电开关将心率信号转换成毫伏级别的信号，之后利用LM358构成的两级带通放大电路（1.6～5.3 Hz）将毫伏级别的心率信号转换成伏级别的信号。原理图如图7所示，图中只有第一级放大电路，第二级放大电路与第一级相同。设计好的红外心率模块如图8所示。利用Multisim软件可以测试电容的大小对耦合效果的影响、带通放大电路波特图的测试等。单片机的编程中主要涉及频率的测量及波形的显示，通过理误差论分析与实际测试让学生明白测周法和测频法选择的方法。
3" 实验教学实例
3.1" 实践教学流程图
以传感器的第一个实验PT100测温仪的设计为例，基于虚实结合的实践教学（含理论部分）完整流程如图9所示，内容如下：
1）在理论课给出PT100测温仪的设计指标，利用PT100传感器设计0～200 ℃的测温仪，精确度等级为1.0，采用单片机进行数据处理将温度在数码管上显示出来。之后详细介绍了PT100信号调理电器路的设计，涉及电路设计、器件的选型、电阻阻值的计算等。
2）在实验课程中，利用Multisim软件对电路进行仿真，加深对电路的理解，理解电路中关键器件的选型或参数的计算。
3）利用制作好的PT100测温模块及单片机的实验板连接进行实际电路的测试。利用单片机进行数据处理并将最终的温度值在数码管上显示出来。
4）课程设计中，学生再利用EDA软件画原理图、PCB并发到厂家打样，购买相关器件再进行焊接调试。整个流程包含了电子系统设计的全部流程，同时课程结合了微机原理及应用、电子制图等课程的内容，综合性强，有助于学生系统掌握电子设计的设计。
3.2" 基于Multisim的仿真
PT100的简化版信号调理电路（图中省略了电容等器件）如图10所示，利用TL431、R1、R2、R3构成了4.2 V的恒压源为电桥供电，之后将PT100与R4、R5、R7构成单臂电路将PT100的电阻值（100～175.86 Ω）转换为0～64 mV的电压信号。PT00的传感器采用三线制接法，rr1、rr2、rr3表示引线电阻。最后利用R8、R9、R10、R11及运放U2A构成的差动放大电路将电桥的输出电压放大到0～3 V。通过修改相应电阻的阻值并利用参数扫描功能可以做以下测试：
1）电桥桥臂比对电桥线性度的影响：将电桥的桥臂比设为1、10、47、100，再利用参数扫描功能让PT100的电阻值从100 Ω以10 Ω的步进值增加到180 Ω，再输出电桥的输出电压，最后再计算线性度，分析不同桥臂比对电桥线性度的影响。
2）放大电路输入电阻对电路的影响：将差动放大电路的电阻R8、R9分别设成100 Ω、1 kΩ和10 kΩ，R8、R9分别设成4.7 kΩ、47 kΩ和47 kΩ，再利用参数扫描功能让PT100的电阻值从100 Ω以10 Ω的步进值增加到180 Ω，再输出运放的输出电压，最后再计算线性度，分析放大电路输入电阻对线性度的影响。
3）三线制接法对引线的抑制效果：将引线电阻rr1、rr2、rr3分别设成1 Ω、5 Ω、10 Ω再利用参数扫描功能测试三线制电桥对不同引线电阻的抑制效果。
采用Multisim软件学生可以很方便地对电路的性能进行测试，同时也可以按照自己的理解去修改电路。
3.3" 利用PT100测温模块测试
将电阻箱采用三线制接法接到PT00信号调理板上的输入端，PT100信号调理板输出接到单片机实验板的A/D输入口，模块之间的连接采用带方向的XH2.54的端子连接方便连接测试，同时能避免连线错误导致芯片的损坏。PT100信号调理板将PT100的阻值变化转换成0～3 V的电压信号。利用STC15单片机自带的10位A/D转换器将模拟量转换成数字量N，并进一步处理得到温度值t。由于受恒压电桥的非线性、运放的失调电压、电阻的误差等因素导致A/D值与温度值之间的关系是不确定的，需要进行实际测试获取。调节电阻箱的阻值从100 Ω以10 Ω的步进值增加到180 Ω，并记录A/D的转换结果填入表2中。之后将电阻值与A/D值在Excel表格中进行曲线拟合，利用二阶关系式来表示电阻值与A/D之间的关系：
R（N ） = 1.4691×10-6N 2+8.0430×10-2N+100.14
由拟合出来的曲线计将A/D值代入N求电阻值，并计算测量的误差填入表2中。电值测量的最大绝对误差为0.23 Ω，对应的温度约为0.6 ℃，满足准确度等级1.0的设计要求。在单片机中先利用拟合的曲线计算电阻值，之后再利用求根公式由电阻值计算出温度值并在图1单片机实验板上的数码管上显示出来。
3.4" 课程设计
在课程设计环节，学生选择自感兴趣的课题，在现有传感器应用电路基础上加入单片机及相应的人机交互电路后利用EDA软件设计相应的原理图及PCB，再将PCB发到工厂打样，购买元器件进行焊接调式，再完成软件的设计完成电子系统的设计。在这个过程中综合了传感器原理及应用、微机原理及应用和电子制图三门课程的内容，让学生掌握综合应用所学课程设计电子系统的方法，提高学生的动手能力及分析解决问题的能力。
4" 结" 论
基于“虚实结合”的实践教学方式，实践的环境搭建简单，只需一台计算机，再结合自主设计的单片机实验板及配套的传感器实验模块就可以进行实践，不受场地限制，学生在宿舍也可进行实践学习。有效地激发学生的学兴趣，提高学生解决问题和分析问题的能力，同时也有效解决学院实验室场地不足的问题。相对于传统的传感实验箱的实验方式，具有成本低、灵活性高、自主性强等优点，具有较高的推广价值。
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作者简介：宋志勇（1988.09—），男，汉族，福建莆田人，讲师，硕士，研究方向：测控与仪表技术。
基金项目：2020年福建省新工科研究与改革实践项目（jx210302）；福建农林大学金山学院2021年高等教育改革项目（jx210303）
