測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)分析

摘要：為加強(qiáng)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有獨(dú)立設(shè)計(jì)先進(jìn)的儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的能力，開設(shè)了“綜合課程設(shè)計(jì)”這門課。現(xiàn)以“智能電子秤”的設(shè)計(jì)為例，介紹如何逐步引導(dǎo)學(xué)生完成綜合課程設(shè)計(jì)的一種具體做法，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)內(nèi)容和實(shí)施方法等。實(shí)踐證明，這些措施能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；電子秤；測(cè)控技術(shù)與儀器；課程設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：白潔（1968-），女，陜西西安人，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，高級(jí)工程師。（陜西 西安 710049）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）35-0085-02

測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)是由教育部在1998年把計(jì)量?jī)x器、光學(xué)儀器、計(jì)時(shí)儀器、分析儀器、熱工儀表、航空儀表、電子測(cè)量?jī)x器等11個(gè)儀器儀表類的專業(yè)合并而成的，發(fā)展至今已成為一門實(shí)用性非常強(qiáng)的學(xué)科。[1]它專業(yè)口徑寬，涉及知識(shí)面廣，整合了多個(gè)專業(yè)方向的知識(shí)，主要包含了電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等方面。測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)是西安交通大學(xué)測(cè)控專業(yè)大學(xué)四年級(jí)必修的一門專業(yè)課程，旨在提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論，獨(dú)立設(shè)計(jì)、構(gòu)建、調(diào)試儀器與檢測(cè)系統(tǒng)的能力，強(qiáng)化對(duì)儀器與檢測(cè)系統(tǒng)工程的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)與研究等方面的基本能力。[2]

一、綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)方案

測(cè)控專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)被安排在大四的第一學(xué)期，是在所有必修課程和絕大多數(shù)選修課程學(xué)習(xí)完成后開設(shè)的，是對(duì)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“傳感器原理及應(yīng)用”、“電路分析”、“智能儀器”和“數(shù)字信號(hào)處理”等課程知識(shí)的進(jìn)一步理解、鞏固、加深和應(yīng)用。

測(cè)控專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)共64學(xué)時(shí)，其中上課16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)48學(xué)時(shí)。上課部分是由老師各用2學(xué)時(shí)把各自的研究方向、在研課題以及相關(guān)理論向?qū)W生進(jìn)行介紹和講解，學(xué)生再結(jié)合自己的興趣、能力選擇課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)教師，教師以此為據(jù)分配課程設(shè)計(jì)的題目，提出具體要求，學(xué)生獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)。指導(dǎo)教師和學(xué)生之間是雙向選擇，調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

綜合課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中除畢業(yè)設(shè)計(jì)的一次較大型實(shí)踐訓(xùn)練，從元器件的選型到系統(tǒng)的構(gòu)建以及放大、調(diào)理電路的選擇與搭建、數(shù)據(jù)的采集及調(diào)試、接口程序的編制等全由學(xué)生自己去完成，而教師只起引導(dǎo)作用。這樣，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后，不僅在系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、硬件選擇能力和系統(tǒng)構(gòu)建能力等方面大大增強(qiáng)和提高外，自信心和成就感也得到極大加強(qiáng)。[3]學(xué)生第一次遇到這種綜合性強(qiáng)、設(shè)計(jì)的靈活性也較大的實(shí)踐項(xiàng)目，要在48學(xué)時(shí)內(nèi)完成是有一定難度的。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)行了開放式管理，學(xué)生可根據(jù)自己情況自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間。其次，為了引導(dǎo)學(xué)生盡快進(jìn)入課題，將設(shè)計(jì)目標(biāo)細(xì)化，分為幾個(gè)小目標(biāo)，學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際情況一步一步完成，最后進(jìn)行綜合。本文以選題之一的“智能電子秤”的設(shè)計(jì)為例，介紹其實(shí)施的具體方案。

1.“智能電子秤”設(shè)計(jì)目標(biāo)

“智能電子秤”的設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目雖然功能簡(jiǎn)單，但涉及了從傳感器電路、信號(hào)處理電路到顯示電路的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)組建的相關(guān)知識(shí)。通過該項(xiàng)目使學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計(jì)的總體思路和方法，將所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，理論和實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。“智能電子秤”的設(shè)計(jì)目標(biāo)：量程0～6.0kg，準(zhǔn)確度1%，分辨力5g，輸出方式為4位LED顯示，并具有量程變換和超重報(bào)警功能。

2.總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，學(xué)生在查閱大量相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，采用模塊化的總體設(shè)計(jì)方案。把“智能電子秤”的總目標(biāo)分解為5個(gè)內(nèi)容相對(duì)單一的小目標(biāo)，包括了軟硬件兩大部分：查閱相關(guān)資料，確定智能電子秤總體方案；搭建活塞壓力計(jì)YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成的傳感器電路；使用protel對(duì)單片機(jī)C8051f020構(gòu)成的信號(hào)處理及數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)；使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并使用keil c51仿真；對(duì)電子秤進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試。智能電子秤組成框圖如圖1所示。

測(cè)量系統(tǒng)的組建這部分內(nèi)容是已經(jīng)學(xué)習(xí)過的“電氣測(cè)量技術(shù)“課程的核心內(nèi)容，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，就可以很好地完成這部分設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐驗(yàn)證了相關(guān)的理論知識(shí)，可以激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探索的積極性。

3.“智能電子秤”硬件電路的設(shè)計(jì)

由圖1可知，智能電子秤由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、具有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)和顯示等4個(gè)部分組成。

（1）壓力傳感器電路：選擇的是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的由活塞式壓力計(jì)YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成，其中壓力計(jì)和傳感器是集成到一起的，可直接使用。

（2）調(diào)理電路：包括差動(dòng)全橋、放大電路和濾波電路三部分組成。與壓阻式壓力傳感器相配的調(diào)理電路采用恒流源供電的差動(dòng)全橋，其中供電電流為14mA。單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓是2.403V，而壓阻式傳感器的輸出信號(hào)為–5～55mV，這就需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。根據(jù)計(jì)算可得放大器的放大倍數(shù)為25左右比較合適。傳感器的輸出阻抗很高，要求放大電路須有更高的輸入阻抗，不從傳感器輸出端吸收電流，以免破壞傳感器的工作狀態(tài)。學(xué)生選擇的AD620儀用放大器特點(diǎn)為：差動(dòng)輸入，單端輸出，電壓增益連續(xù)可調(diào)，并有效地解決了后級(jí)負(fù)載對(duì)地連接的問題。另外在AD620的輸入與地、輸出與地之間都接了10 F的濾波電容，增強(qiáng)抗干擾能力。

（3）AD轉(zhuǎn)換電路：電子秤設(shè)計(jì)要求的分辨力為5g，量程為0～6.0kg，即可算出需要12位的AD轉(zhuǎn)換，所以選擇單片機(jī)C8051f020的12位AD來完成。

（4）顯示電路：將單片機(jī)分析處理的數(shù)據(jù)顯示出來，利用集成的四位共陽極數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管的位選是單片機(jī)的P0.0–P0.3端口，段選是單片機(jī)的P0.0–P0.7端口，采用的是動(dòng)態(tài)顯示。

學(xué)生最終完成的電子秤的硬件電路圖如圖2所示。

4.“智能電子秤”軟件部分設(shè)計(jì)

智能電子稱是采用Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)采集、12位AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及四位數(shù)碼管顯示等功能。同時(shí)也在程序中加進(jìn)了兩個(gè)智能化功能：超重顯示和量程變換。程序的流程圖如圖3所示。

二、電子秤的靜態(tài)性能評(píng)價(jià)

這一部分內(nèi)容對(duì)測(cè)控專業(yè)的學(xué)生來說是很重要的，它有助于學(xué)生判定所設(shè)計(jì)的儀器能否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過分析可得，用于靜態(tài)稱重的電子秤主要誤差來源有：壓力傳感器、傳感器輸出信號(hào)的處理系統(tǒng)（包括前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和機(jī)械承重系統(tǒng)等）。其中機(jī)械承重系統(tǒng)的誤差、電源波動(dòng)引入的誤差以及稱重傳感器與測(cè)量線路引線帶來的等不易定量計(jì)算誤差可通過合理的設(shè)計(jì)、安裝來削弱，并在誤差分配時(shí)給予一定的冗余量來保證。[4]該電子秤的系統(tǒng)的量程為6.0kg，在滿量程范圍內(nèi)標(biāo)定點(diǎn)數(shù)l=7，正反行程循環(huán)次數(shù)n=4，標(biāo)準(zhǔn)砝碼提供的標(biāo)準(zhǔn)值，總計(jì)標(biāo)定值的個(gè)數(shù)N=56，如表1所示。xj表示標(biāo)準(zhǔn)重量，mj表示顯示的重量，單位均為kg。

最后通過計(jì)算可得該電子秤的各靜態(tài)性能指標(biāo)：擬合直線方程：采用最小二乘法得擬合直線方程，，

可得測(cè)量系統(tǒng)零點(diǎn)為；獨(dú)立線性度：=0.15%；滯后：=0.30%；重復(fù)性：取置信因子K=3，置信度為99.73%時(shí)的重復(fù)性=0.27%；準(zhǔn)確度：在傳感器或含有傳感器的測(cè)量系統(tǒng)中，通常用精度A來表征準(zhǔn)確度，它由線性度、遲滯、與重復(fù)性之和得出，即A=++=0.15%+0.30%+0.27%=0.72%；最大引用誤差=0.33%。由此可確定，智能電子秤滿足設(shè)計(jì)要求，其準(zhǔn)確度是0.72%，可評(píng)定為Ⅳ級(jí)。

通過對(duì)“智能電子秤”的設(shè)計(jì)和制作，學(xué)生把學(xué)到的課本知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)所遇到的困難能夠積極解決，比如在發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差比較大時(shí)，找原因，了解誤差的來源。這一切都表明學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)，而不是等著老師來解決問題。學(xué)生一旦能自己找到問題并解決，就會(huì)提升自信心，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。“智能電子秤”雖然是一套由傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的簡(jiǎn)單智能儀器，但也充分體現(xiàn)了智能儀器的普遍設(shè)計(jì)思路和方法，為以后復(fù)雜智能儀器的開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

三、結(jié)論

測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)已開出了5屆，實(shí)踐表明該課程的開設(shè)是較為成功的，有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和工程意識(shí)，提升了學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同度和學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力選擇課程設(shè)計(jì)的題目，更能激發(fā)自主學(xué)習(xí)的積極性，有助于學(xué)生有效地掌握所學(xué)知識(shí)，縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過程，使學(xué)生得到了一次完整的系統(tǒng)性的工程實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，大大加強(qiáng)了對(duì)理論知識(shí)的融會(huì)貫通和對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的鍛煉，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)以及為將來走入科研工作崗位打下了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱維斌，趙軍，陸藝.測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)傳感器系列課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010，（21）：118-119.

[2]向欣，王永驥.測(cè)控與自動(dòng)化專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)例[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，（8）：119-122.

[3]曹建安，楊爽.測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)改革思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（4）：4-6.

[4]劉君華，申忠如，郭富田.現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)集成[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

（責(zé)任編輯：王意琴）