基于Proteus软件的传感器仿真实践教学研究

叶 茎 李云平 谷玉玲

(武汉软件工程职业学院， 湖北 武汉：430205)

随着互联网技术的发展，教育数字化和智能化的时代来临。使用在线课程资源，采用翻转课堂、线上线下混合教学模式[1]，灵活地结合手机、平板等移动终端[2]，是专业课程教学发展的新趋势。为适应线上线下教学需要，仿真实践教学通过在计算机上模拟现实仪器设备的操作及实验效果[3]，突破了环境的限制，已得到广泛应用。在仿真实践软件中，Proteus是集电路设计、单片机编程于一体的通用软件，可以联调电路元件、单片机代码并协同仿真，只需要普通计算机就可以运行，非常适合教师低成本开发仿真实践教学资源，其虚拟元件库包含了一些常用的传感器元件。随着制造业智能化的发展，传感器在智能制造、机器人、物联网、人工智能等新兴产业中起到重要的数据采集、信息监控、开关检测等作用[4]。工科专业传感器课程的实践教学，因存在缺乏实践设备、耗材，缺少自主设计的实践项目等问题，急需开发在线仿真实践教学项目，以丰富在线教学资源。因此，对基于Proteus软件的传感器仿真实践教学进行研究，具有广泛的教学应用价值，并能推广到其他相关课程。

1 传感器仿真实践教学存在的问题

传感器仿真实践教学通过各种传感器应用电路，验证传感器的原理和功能。传感器电路元器件或开关，与单片机或可编程控制器结合起来，能实现多种检测功能。传感器实践类项目常常设计为实验，或结合相关专业课程进行综合实训，目前仿真实践教学还存在着如下问题。

1.1 仿真平台缺乏

传感器实验多数完成一些原理验证性实验，以线下教仪设备操作为主，没有广泛使用的、专门针对传感器的仿真软件，所以传感器仿真实践教学平台是缺乏的。但可使用其他相关仿真软件，包括用于传感器数据采集的图形化编程仿真软件LabView，用于单片机仿真电路的软件Proteus，用于大型控制系统的可编程控制器仿真软件等等。教师可根据实践设备、学生学情和教学需要，挑选合适的仿真软件平台。

1.2 综合性难度大

传感器实践项目需综合电路、计算机、单片机或可编程控制器等多门专业课知识，实现传感器的检测功能，综合性难度大。传感器作为一门专业基础课，教师进行仿真实践教学时，需讲述其他多门专业课程知识，才能使学生完成仿真实践的学习和操作，这对师生都提出了挑战。

1.3 完成时间不够

传感器仿真实践内容包括仿真电路的设计、软件的调试、结果的整理、计算和画图。为使学生自主完成学习内容，教师需花费不止一次课的时间分别进行教学，完成时间不够会影响实践教学的连续性。另外，教学面向多种类型的传感器，同一个传感器的实践项目，花费时间过长也会造成学时紧张。如何缩减学生仿真实践学习的内容和时间，也是一个需要思考的问题。

2 基于Proteus软件的传感器仿真实践教学研究

传感器仿真实践教学，适合全线上模式，或者线上线下混合教学模式，要求师生准备好安装了专业软件的电脑，并建议学生分组以团队协作形式完成学习内容。教师可结合翻转课堂模式[5-6]，采取课前重难点导学、课中讨论、课后作业、课余答疑的方式进行教学；如采用全线上模式教学，还需用直播、学习群答疑等多种手段辅助教学。

2.1 仿真软件的选择

LabView软件功能强大，可模拟各种虚拟仪器仪表的检测，但编程难度高；Proteus软件能结合电路模拟单片机程序运行，操作容易，仿真结果直观。可编程控制器的仿真软件种类较多，以可编程控制器应用为主，传感器往往模拟为普通开关，受到一定局限。考虑到上传感器课程时，学生往往已学习了电路、计算机基础知识，因此学习重点以传感器原理、性能为主，难度不宜太高，选择Proteus软件进行仿真教学，教师能灵活掌握教学难度，帮助学生联系所学的电路、计算机知识，直观形象地看到仿真结果。学生通过使用Proteus软件实现课上完成部分自主设计内容，课下进一步拓展，学习的难度和节奏可自主调整。与其他仿真软件相比，Proteus软件体积较小，易安装、上传，在单片机实践仿真中广泛应用，项目资源丰富，能为建设传感器仿真实践教学资源提供较多选择和便利。

2.2 仿真资源的建设

围绕Proteus软件建设仿真资源，以上传指导书、电子教材、课件或视频为主。第一步建设软件安装、新建、调试等项目基本操作内容；第二步建设电路图、程序等项目核心设计内容；第三步建设仿真实践案例等项目拓展内容，如讲述传感器实践项目运行原理、实现功能、调试操作的微课或动画等。针对综合性难度大的问题，教师可采取适当措施降低难度，减少工作量，如给出电路原理图和部分程序，让学生修改、调试；或给出全部程序，略过编程，让学生设计电路原理图，学习传感器的接线引脚及工作电路。针对完成时间不够的问题，教师可将学习内容分类标注为课上和课下完成部分，利用线上资源导学、翻转课堂教学模式等方法来缩减线下课堂学习内容，或转移部分学习内容至课下由学生自主完成。

2.3 仿真教学的设计

教师针对学生的学情和课堂表现，可设计学习共性任务和个性任务，来灵活调整教学内容。共性任务难度较低，是学习的基本要求；个性任务难度较高，属于学习拓展，分配给学有余力的学生自我挑战、自主完成。仿真教学设计分为硬件设计和软件设计两方面，具体设计如下。

在硬件设计方面，共性任务为传感器局部电路设计，个性任务为单片机相关电路设计。硬件设计根据Proteus元件库是否包含教学中使用的传感器元件分为两类：第一类元件库中有对应的传感器元件，第二类元件库中没有对应的传感器元件。第一类以数字温度传感器DS18B20和数字压力传感器MPX4250为例，它们在Proteus元件库中均有对应的虚拟元件，可直接调用，如图1所示。图1(a)中DS18B20所测量的温度数据从DQ端输出，用一个虚拟示波器观测，接到单片机I/O端并显示。图1(b)中MPX4250所测量的电压数据从1引脚输出，用一个虚拟电压表观测，接到模数转换芯片TLC2543，输出数字电压至单片机I/O端并显示。两者均可通过虚拟元件的上、下箭头符号分别进行检测数值大小的增、减调节，模拟线下传感器检测中温度、压力的变化过程。第二类以超声波传感器检测距离为例，超声波传感器在Proteus元件库中没有对应的虚拟元件，只能通过555定时器电路，模拟其发送、接收的方波信号，如图2所示。该信号从555定时器Q端输出，用一个虚拟示波器观测，接到单片机I/O端并显示。方波上升沿表示传感器信号的发送，下降沿表示接收，脉宽为发送到接收所需的时间，一个方格时间为20ms。通过调节电路中电位器RV1阻值大小，使方波的脉宽变化，模拟不同距离时，超声波信号从发送到接收所需的时间变化，再通过单片机程序根据公式计算超声波传感器检测的距离：距离=波速×时间/2，从而获得超声波传感器测量距离的仿真结果。

图1 Proteus温度传感器和数字压力传感器接线图

图2 Proteus超声波传感器模拟电路和方波信号

在软件设计方面，共性任务为传感器应用程序，个性任务为单片机其他相关程序，教师设计补全或修改的程序任务，让学生进行传感器应用程序的补全、修改及调试。以数字温度传感器DS18B20为例，软件设计主要包括：LCD液晶显示、DS18B20传感器读写和温度报警程序。让学生根据当前室温，设计不同温度下的报警程序并检验效果。以数字压力传感器MPX4250为例，该程序设计与DS18B20类似，在已完成温度传感器程序任务的前提下，让学生修改温度报警程序为数字压力报警程序，设计不同的压力阈值报警功能并检验效果。以超声波传感器为例，软件设计主要包括：LCD液晶显示、超声波脉宽时间、测量距离计算和距离报警程序，让学生设计不同距离下的报警程序并检验效果。已完成共性任务的学生，可增加单片机读写、计算程序的个性任务，如单片机温度、压力采样平均值，超声波检测距离的公式计算、修改程序等。

2.4 成绩评价及学习效果

仿真实践项目的成绩评价以报告打分的形式体现。教师通过线上教学的云课堂以实践项目为名布置作业，学生以小组团队形式完成后，先组内自评、互评，再以每人一份报告的形式将所画的电路原理图、实现的功能、核心程序、组内完成的工作、遇到的问题及解决方法进行总结，由教师在线批阅、打分，进行成绩评价。从已实施的传感器仿真实践教学查看学习效果，大多数学生能较好地完成传感器电路设计部分，涉及到单片机程序及调试部分，难度偏高，只有少部分学生能完成拓展内容。通过学习，学生的仿真、编程和自主设计能力均有所提高，能进一步理解传感器的接线、原理及应用知识，获得传感器实践操作经验。

3 结束语

在教育信息化的要求和背景下，师生线上线下互动，结合翻转课堂教改，具有积极的探索意义。基于Proteus软件，对仿真实践薄弱的传感器课程，进行仿真实践教学的研究，能帮助解决缺乏实践设备和实践项目的教学问题；有针对性地引导学生自主学习、实践操作，培养学生综合设计与创新的能力。传感器仿真实践教学既可作为独立的线上实践教学内容，也可作为线上线下混合式实践教学内容的补充，为传感器理论和实践教学发展提供了经验参考。