单片机受力检测系统教学案例设计

[摘 要] 传感器与检测技术课程的教学一直存在一个问题，就是概念化、理论化的知识与应用的脱离，为此结合应力应变片传感器知识的讲解和相关电子EDA课程知识，设计一款应力应变传感器单片机检测系统。并将其以教学案例的方式融入传感器及相关课程教学中，让学生在应用与动手实训中掌握相关理论，并提升相关技能。采用形象生动的方式，完成了知识与应用的结合。经过教学实践，学生在相关知识的掌握、知识的综合运用、对问题的分析能力等方面都有很大提升。

[关键词] 传感器;单片机;受力检测

[基金项目] 上海应用技术大学课程建设项目（1021zk191402004）

[作者简介] 沈希忠（1968—），男，教授，博士，研究方向为检测、信号处理。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0271-03    [收稿日期] 2019-11-10

目前，在教学过程中采用案例教学已经成为教学的一种惯例[1-2]。传感器与检测技术是上海应用技术大学电子信息专业、自动化、电气自动化等工程类专业的一门基础专业课程，这门课程涉及物理、电路、机械等基础理论知识，与多门学科知识有关，实践中需要相互结合才能应用，在教学中常常局限于抽象的理论分析和片面的讲解，很难与具体应用结合[3-4]。本案例设计将受力检测系统结合到教学中，运用实例使传感器形象化，结合电子CAD设计、单片机设计，加深对本课程理论和实践的理解。

受力检测系统工业应用广泛，生活中也随处可见。从实现的基本原理到系统模块的组成到元器件的选取都不尽相同。从教学可行性角度考虑，系统设计时尽量选取学生学过的或课程中涉及的较熟悉的芯片和模块。根据相关课程，选定单片机芯片中的STC89C52作为控制的核心，对重量进行检测，测量中传感器选用应变片，组桥测量，构成传感器，检测到的信号传输给单片机，并显示。主要知识点有零位测量、系统标定、应变片、桥路测量、单片机最小系统等，涉及的软件有Altium Designer、Proteus、Keil等，加强学生对所学传感器知识的理解与掌握，培养学生对所学知识的系统理解与综合应用能力。

一、单片机受力检测系统

（一）总体结构设计

受力检测系统主要由单片机模块、应变片、电桥电路、放大和AD模块、显示模块等组成。电路开始时，单片机对检测电路的输出端进行定时采样，并加以显示。当有受力作用时，应变片感受力的变化，通过电桥输出电压，并经过放大和数模转换成数字，再经过单片机处理为力的数值，并输出显示。

（二）主要模块设计

1.单片机最小系统。由于开设传感器与检测技术课程前，学生学习过单片机原理等课程，这些课程曾介绍5l系列单片机，因此本课程设置课内课外学习和实践中选取51系列单片机作为控制芯片，其最小系统包括时钟电路、复位电路和电源电路等。实践中我们选择STC89C52芯片，+5V供电，复位电路采用按键复位方式。

2.应变片与电桥电路。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的黏和剂紧密黏合在力学应变基体上，当基体受力发生应力应变时，电阻应变片产生形变，其阻值发生改变。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，需要电桥测量，再放大，传输显示。我们采用丝式金属电阻应变片，并组桥测量，电桥测量方式可以有单臂、双臂、全桥测量，三种方式都可以用Proteus软件仿真进行。

3.信号放大及其数模转换模块。我们用HX711专用应变片放大和数模转换模块，这是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无须另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

4.传感器标定及其指标计算。利用标准器具对传感器进行标度的过程称为标定。任何传感器在使用前都需要对其进行标定，在使用一段时间后还需要对其进行校准，确保传感器测量精确度。通过加载—卸载—再记载—再卸载等过程，确定传感器的各类指标，如灵敏度、分辨率、非线性度等参数。

（三）系统原理图与PCB设计

原理图就是表示电路板上各器件之间连接原理的图表，其作用非常重要，因此原理圖的设计是整个设计和系统实现的关键。印刷线路板（PCB）工程制作的水平，体现出设计者的设计水准，反映出印制板生产厂家的生产工艺能力和技术水平。PCB工程制作者责任重大，在处理PCB设计文件时，应该仔细检查：接收文件是否符合设计者所制定的规则？能否符合PCB制造工艺要求？有无定位标记？线路布局是否合理？线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，能否满足生产要求。元件在二维、三维空间上有无冲突？印制板尺寸是否与加工图纸相符？后加在PCB图形中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。对一些不理想的线形进行编辑、修改。在PCB上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。

（四）系统软件设计与实现

在系统通电后，主程序首先进行端口、显示、数据的初始化，还有定时器的初始化，接着进行重物检测，如果通电前就有重物的话，就把重物计入称重装置中，当再有物体放入是，检测到重物信号，并显示，从而完成一个周期的检测。[5]

二、教学设计与实施

本教学案例可以安排在学生学完线性代数、C语言、模拟/数字电子技术、单片机原理及应用、传感器与检测技术等课程后，或者在学习单片机原理及应用、传感器等课程过程中，作为实践课程内容进行教学。可采用专周实训，也可以课内分批实施。实施时，对学生进行分组，以小组完成设计。可以设计的题目如表1所示，具体内容安排及教学过程如表2所示，该表为通用型的，可以用于课内，也可以用于具体实践周。

三、总结

传感器与检测技术涉及的学科面广，不管是教还是学，如何理解并掌握这门课程一直是一个难点。目前高校开设本门课程，主要以理论教学为主，实践辅导为辅，教师上课难以形象化，学生掌握有难度，再加上资金短缺，难以和实际应用结合，不符合现代教育对学生能力培养的要求。

课程教学中，我们以受力检测系统设计与实现为突破口，结合传感器、单片机等相关知识，将其涉及的知识按功能模块分解，以案例融入有关课程内容的教学之中。可根据课程内容，对相关模块知识进行偏重，保证课程教学的特点，同时将课程内容结合应用，实现理论与应用的结合，形象化相关知识。通过教学实践，对学生的兴趣、知识、能力方面都获得一定的提升。当然，教学中要求老师具有一定的全局理论和实践能力，也是一大挑战。

参考文献

[1]张晓宇，李林芷，石东平，等.传感器原理课程“理实结合”教学案例探索[J].科技视界，2019（21）：91-92.

[2]王玉香，张喜红，杨清志.基于热释电红外传感器的教学案例设计[J].上饶师范学院学报，37（6），2017：45-49，28.

[3]童敏明，唐守锋，董海波，等.传感器原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2015.

[4]高成，杨松，佟维妍，等.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2018.

[5]严平锋，凌志浩，蒋炜.步进电机的控制与检测系统的设计与实现[J].自动化仪表，2014（4）：38-42.