周春艷 盛洪江 張白

摘 ?要 針對(duì)傳感器課程設(shè)計(jì)這門課程的實(shí)施過程，在分析目前存在的不足和缺陷的基礎(chǔ)上，從內(nèi)容、組織形式、實(shí)施方式等方面進(jìn)行改革研究和探索，提出利用單片機(jī)結(jié)合LabVIEW的方式，對(duì)學(xué)生從傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)可視化界面的設(shè)計(jì)、標(biāo)定和誤差分析等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合性的訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞 傳感器;課程設(shè)計(jì);LabVIEW;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）11-0076-04

1 引言

隨著新技術(shù)革命的到來，人類社會(huì)開始進(jìn)入信息時(shí)代，在信息利用過程中，首先需要解決的問題就是如何準(zhǔn)確、快速獲取可靠的信息。傳感器作為信息獲取的源頭，是獲取自然界和生產(chǎn)領(lǐng)域信息的主要工具，在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中占有非常重要的地位[1]?！皞鞲衅髟砼c檢測(cè)技術(shù)”是測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化、電子信息等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，綜合性較高，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面有重要作用[2]。課程設(shè)計(jì)是一門課程的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、創(chuàng)新意識(shí)和嚴(yán)肅認(rèn)真求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、計(jì)算、文獻(xiàn)查閱、論文撰寫等方面的能力[3]。

本文從培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的社會(huì)需求出發(fā)，利用傳感器結(jié)合單片機(jī)和LabVIEW實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理和顯示等過程，探索適合學(xué)生能力發(fā)展的“傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)”課程設(shè)計(jì)新模式，加強(qiáng)課程之間的關(guān)聯(lián)性、自然銜接和相互配合，幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)[4]。

2 傳感器課程設(shè)計(jì)教學(xué)現(xiàn)狀

在新工科和工程教育認(rèn)證背景下，應(yīng)該以學(xué)生能力的全面發(fā)展和提升為目標(biāo)導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，確保畢業(yè)生可以達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求?！皞鞲衅髟砼c檢測(cè)技術(shù)”這門課程作為諸多電子相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課，在學(xué)生專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)中占有重要位置，而課程設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)生對(duì)這門課程理論知識(shí)的鞏固、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)具有突出的作用[5]。但是，目前在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的實(shí)施過程中還存在一定的不足和缺陷，不能較好地完成以學(xué)生為導(dǎo)向的目標(biāo)任務(wù)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）內(nèi)容上。傳統(tǒng)的傳感器課程設(shè)計(jì)注重于傳感器原理、性能和電路等方面的設(shè)計(jì)，與其他課程之間的聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生缺乏一種整體的科學(xué)思維。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的升級(jí)，傳感器的發(fā)展日新月異，不斷朝著智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。因此，對(duì)傳感器的學(xué)習(xí)更應(yīng)該注重信號(hào)的采集、處理、數(shù)據(jù)挖掘等一系列的整體過程，并能夠?qū)π盘?hào)的形式結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)解釋，樹立一種科學(xué)的大局觀和總體認(rèn)知能力。

2）組織形式上。目前，各大高校針對(duì)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施，大都是采用集中一周或兩周的時(shí)間來進(jìn)行，布置一個(gè)任務(wù)讓學(xué)生在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)既定的要求。對(duì)于學(xué)有余力或基礎(chǔ)較好的學(xué)生，這樣的形式比較適合;但是對(duì)于基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，在短期內(nèi)要掌握很多新的知識(shí)是很困難的，只能依賴于組長或其他學(xué)生，就會(huì)出現(xiàn)渾水摸魚的現(xiàn)象，缺乏主動(dòng)探索的欲望，喪失真正掌握知識(shí)的成就感。

3）實(shí)現(xiàn)方式上。目前在傳感器課程設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式上，多采用半開放的模式，即前端的傳感器和處理電路是分立元件，而后端是利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，這就限制了學(xué)生對(duì)于信號(hào)的采集和處理環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

3 傳感器課程設(shè)計(jì)改革模式探討

課程設(shè)計(jì)的組織形式應(yīng)以學(xué)生的需要、興趣和目的為中心，做到以學(xué)生為本。教師在整個(gè)過程中可以幫助學(xué)生共同確立目標(biāo)、制定計(jì)劃實(shí)施方案以及評(píng)定方式等。學(xué)生在實(shí)施過程中會(huì)遇到困難和障礙，教會(huì)他們采取什么途徑，如何通過查找資料來解決問題，讓學(xué)生在接受挑戰(zhàn)、克服困難的過程中尋找學(xué)習(xí)的意義、價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。整個(gè)過程分為項(xiàng)目準(zhǔn)備和項(xiàng)目實(shí)施兩個(gè)環(huán)節(jié)。

項(xiàng)目準(zhǔn)備 ?項(xiàng)目的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)就是幫助學(xué)生確立設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)要求并制訂實(shí)施方案的過程。在這個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該針對(duì)學(xué)生興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，確立難度適當(dāng)超出學(xué)生認(rèn)知程度的題目，讓學(xué)生有思考和探索的空間，在解決困難的過程中培養(yǎng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，也感受學(xué)習(xí)的意義和樂趣。項(xiàng)目準(zhǔn)備的內(nèi)容主要應(yīng)包含四個(gè)方面。

1）明確目標(biāo)。首先要明確該項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，也即被測(cè)量是什么，要達(dá)到的性能指標(biāo)，顯示方式、通信方式、上位機(jī)顯示界面等要求。

2）明確相關(guān)聯(lián)的理論知識(shí)。根據(jù)被測(cè)量，明確選用什么傳感器，該傳感器的原理等。如要設(shè)計(jì)基于紅外的測(cè)距儀，則需掌握紅外測(cè)距傳感器的基本原理、輸出信號(hào)的形式、如何進(jìn)行標(biāo)定和標(biāo)度變換等，還需掌握單片機(jī)實(shí)現(xiàn)A/D采集、上位機(jī)編程方式等理論知識(shí)。

3）確定設(shè)計(jì)方案。首先是處理器的選擇，可以選擇目前流行的Arduino進(jìn)行設(shè)計(jì)，很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，但是對(duì)硬件知識(shí)要求太低。為了訓(xùn)練學(xué)生的硬件知識(shí)和編程思想，可選擇51單片機(jī)。對(duì)于傳感器的選擇，可以選擇模擬式的，也可選擇數(shù)字式的。其次就是上位機(jī)編程軟件的選擇，如選擇LabVIEW、MATLAB、VB、VC++等環(huán)境來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形監(jiān)控界面。

4）教學(xué)方式的確定?？梢圆捎脤?shí)踐和理論相結(jié)合的方式，將課程設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)理論教學(xué)環(huán)節(jié)。將課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容按設(shè)計(jì)步驟分解成若干個(gè)子項(xiàng)目，讓學(xué)生從簡單的項(xiàng)目入手，一步步完成整個(gè)項(xiàng)目。如圖1所示為整個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)內(nèi)容，可以將硬件部分分為五個(gè)子項(xiàng)目，讓學(xué)生每周完成一個(gè)子項(xiàng)目，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)驗(yàn)收答辯。等到第四個(gè)和第五個(gè)項(xiàng)目完成后，再設(shè)計(jì)上位機(jī)的程序。

項(xiàng)目實(shí)施 ?項(xiàng)目的實(shí)施總共分為三個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)：一是下位機(jī)信號(hào)采集及顯示部分的設(shè)計(jì)和調(diào)試;二是上位機(jī)可視化程序部分的設(shè)計(jì)和調(diào)試;三是系統(tǒng)標(biāo)定和誤差分析。第一個(gè)環(huán)節(jié)需要分為五個(gè)子項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)。

1）下位機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如表1所示，項(xiàng)目難度逐次遞增，每一個(gè)項(xiàng)目都是在前一個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)新的功能。

2）上位機(jī)顯示項(xiàng)目設(shè)計(jì)。利用LabVIEW完成數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)等功能，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的圖形監(jiān)控界面。如圖2所示，以紅外測(cè)距系統(tǒng)為例，可以在上位機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控位移的變化方向及變化量，也可計(jì)算測(cè)量誤差并進(jìn)行誤差修正。

3）系統(tǒng)的標(biāo)定和誤差分析。對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定就是利用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量儀器對(duì)所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢測(cè)的過程。對(duì)于模擬輸出的傳感器，標(biāo)定就是建立輸出電壓和輸入被測(cè)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，對(duì)于數(shù)字量輸出的傳感器，確定其誤差的大小并進(jìn)行修正。如圖3所示為紅外測(cè)距系統(tǒng)的輸出信號(hào)和被測(cè)量之間的關(guān)系圖，利用高精度激光干涉測(cè)距儀精確測(cè)量位移值。

由圖可以看出，傳感器輸出的電壓與被測(cè)距離之間呈指數(shù)下降關(guān)系。然后根據(jù)標(biāo)定的數(shù)據(jù)可以建立電壓和被測(cè)距離之間的關(guān)系并擬合出相關(guān)方程，如式（1）所示，利用該公式就可利用紅外傳感器進(jìn)行位移的測(cè)量。

還可進(jìn)行誤差分析，掌握傳感器的各種特性參數(shù)，如線性度、量程、靈敏度等重要的靜態(tài)特性指標(biāo)，也可測(cè)量其動(dòng)態(tài)特性，讓學(xué)生對(duì)傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性有更直觀的理解。如圖4所示為紅外測(cè)距傳感器的測(cè)量值和實(shí)際距離值之間的偏差曲線。

從圖中可以看出，當(dāng)被測(cè)距離較小時(shí)，測(cè)量誤差較小;隨著被測(cè)距離的增大，誤差也逐漸增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以選擇最佳的測(cè)量范圍，以達(dá)到較高的測(cè)量精度。將被測(cè)值和實(shí)際值擬合成一條直線，如式（2）所示，決定系數(shù)R2可以達(dá)到0.98，說明該傳感器的測(cè)量精度較高，可以滿足精度要求不是很高的場(chǎng)合。

y=0.78x+9.47

項(xiàng)目總結(jié) ?項(xiàng)目總結(jié)包括成果展示和報(bào)告的撰寫。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，報(bào)告的撰寫占有很重要的地位，寫報(bào)告的過程可以幫助學(xué)生梳理思路，是一個(gè)建立知識(shí)鏈接的過程，是將所學(xué)知識(shí)由實(shí)踐上升到理論的過程。因此，要對(duì)報(bào)告進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，規(guī)范格式和內(nèi)容。

項(xiàng)目評(píng)價(jià) ?項(xiàng)目評(píng)價(jià)即成績的評(píng)定，教師對(duì)學(xué)生所做項(xiàng)目結(jié)合實(shí)物和報(bào)告的撰寫情況進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，肯定學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的積極部分，對(duì)不足部分提出改進(jìn)意見?？己诉^程應(yīng)考慮公平性和靈活性，也應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和集體意識(shí)。因此，綜合成績分為小組集體得分和個(gè)人得分。表2所示為綜合成績?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于考勤分，如果個(gè)人有缺勤的狀況，也會(huì)影響到小組集體得分，因此對(duì)學(xué)生有一定的約束力，也避免發(fā)生“搭便車”的消極現(xiàn)象。另外，在下位機(jī)的五個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中，要求小組的五個(gè)成員，每人擔(dān)任一次組長職務(wù)并對(duì)成果進(jìn)行講解和答辯。這樣一來，個(gè)人的表現(xiàn)也會(huì)影響到集體得分，是對(duì)學(xué)生的督促，也讓他們學(xué)會(huì)相互合作和配合。

4 結(jié)語

本文從項(xiàng)目準(zhǔn)備環(huán)節(jié)和項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)對(duì)傳感器的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行改革和探索，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和LabVIEW的綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目，讓學(xué)生從整體上把握整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施過程，掌握各個(gè)環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，更進(jìn)一步加深對(duì)課程群和專業(yè)的認(rèn)識(shí)。題目難度由易到難，并適當(dāng)超出學(xué)生認(rèn)知水平，讓學(xué)生在解決困難的過程中體會(huì)到學(xué)習(xí)的樂趣和意義，樹立主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)。通過采用集體考核制、人人參與制，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和團(tuán)體協(xié)作能力。

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