基于Proteus仿真技術在傳感器教學中的應用

李旭航

摘 要

針對傳統傳感器課程教學中存在的問題，提出了應用Proteus仿真軟件進行傳感器教學的思路，并通過實例講解使用Proteus提供的仿真技術進行傳感器電路設計與調試，能夠有效激發學生的學習興趣，提高其綜合分析與研判能力，并能夠節約教學成本，增強教學效果。

關鍵詞

傳感器;Proteus;仿真

中圖分類號： TP212-4;G434 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.005

0 引言

傳感器技術及其相關課程是理工大學自動化、物聯網及電氣機械等專業的核心課程。又是理論與實踐結合比較強的專業課。本課程涉及的知識點多、范圍較大， 基于傳感器的應用場合十分廣泛，不同類型的傳感器教學內容相對獨立，缺乏系統性和延續性。因此決定了該課程與實際工作環境結合非常緊密，并且傳感器學習中涉及的電路分析比較多，但有時課堂條件又不允許占用太多時間用于實物電路的構建及演示，以上特點決定了在傳感器教學中的難點較多及直觀性不足。作為對策，在傳感器教學中引入Proteus仿真軟件，設立虛擬實驗室實現輔助教學，在彌補傳統的教學方法不足的同時，為理論和實踐教學提供可靠的教學平臺。

1 傳感器傳統教學存在的問題

（1）理論教學存在的問題傳感器課程涉及的知識面廣、部分內容比較枯燥，對抽象思維和綜合分析思維要求較高，學生感到難入門、老師感到難教學。因此在教學過程中就非常有必要將教學效果更加直觀地展示給學生。以往，教師一般會把課件和視頻教學應用在課堂教學上。但缺乏變化效果往往不理想。所以傳統教學缺乏有效的能實時反應傳感器工作過程變化的演示方法，基本是純理論的語言描述，缺乏直觀對象的載體，讓學習者不好理解。

（2）實訓教學中存在的問題。大多數學校的傳感器實踐環節使用面包板或者萬能板制作應用電路，這種實驗方法雖然簡單方便，但是也存在不足。首先，采用實物元器件構建實訓電路，由于人為操作或元器件壽命老化等原因，必然會導致元器件或實驗儀器的損壞，增加教學成本;其次，設計的傳感器電路多種多樣，涉及的元器件種類繁多，全元器件準備不太現實，只能準備常用的電子元件，采購急需使用的元件存在時間的滯后，因此對實踐內容造成了很大的制約;最后，實訓電路的構建只能在實訓室進行，實訓室預約困難及課程實訓教學時間有限，傳統的實物元器件實訓也限制了學生在課后進行傳感器電路構建的學習。因此傳統的傳感器實訓教學存在著很大的不足。

2 Proteus在傳感器教學中的應用

2.1 在教學中引入"以培養核心能力為目標"的項目教學法

項目教學，是把某一專業課程分類成若干技術或技能單元，把每項技術或技能單元作為一個教學項目，實行理論、實踐一體化的單元式教學，各單元的教學都應用該技術或技能完成工作，并對其進行分析。簡單來說，項目教學是教師和學生為完成具體工作任務而開展的教學行為。項目教育是一種方法，也是一種方案。其目的是有機地結合理論和實訓于教學過程中，挖掘學生的潛力，訓練學生解決實際問題的綜合能力。

要注意的是，在應用項目教學法學習傳感器的過程中，學生首先必須對傳感器與電子元器件具備一定的知識和了解，并且比較熟悉軟件Proteus的一般操作，也就是能將傳感器的具體電路通過軟件Proteus繪制出來，而不用制作具體的電路板，使項目實施更加快捷、方便和經濟。

2.2 將 Proteus引入傳感器課堂教學

首先，在傳感器課堂教學中引入Proteus輔助教學，可以進行大量實例仿真演示，將原本用語言描述不夠詳細的內容，直觀地仿真出來，特別不容易感知的如電流、電壓大小的變化，可以通過Proteus自帶的虛擬儀表顯示出來，提高了教學過程的生動性和直觀性。還可以通過提前制作一些典型的應用電路，比如電阻直流電橋電路、光耦器件電路、光敏電阻電路等，學生可以直觀地觀察傳感器的工作原理。其次，Proteus具有色塊狀態輔助功能。在仿真過程中，管腳旁邊小方塊的顏色顯示其電平狀態：如紅色代表“1”，藍色代表“0”，灰色代表高阻狀態，黃色則表示沖突。輔助色塊便利了用戶的調試、分析和演示。同時，采用Proteus輔助教學有利于學生明確概念，解決學習難點。在傳感器教學中，用于處理傳感器輸出的信號處理電路，由于信號處理電路的多樣性、實物構筑的復雜性和為成本考慮的經濟性，往往成為教育上的難點。傳統的教學更多的是從原理上對其進行定性的分析講解，學生學習時不夠直觀。引入Proteus輔助教學后，就可以自由構建傳感器的信號處理電路，如圖1所示信號放大電路等。還可以自由更換電子元器件如運算放大器芯片的型號、電源供電方式等，以達到電路的對比及性能指標的要求。如原電路采用的運算放大器是LM358N，可以更換為LM324;原電路是+12v單電源供電，可以更改為±12v雙電源供電等。同時通過投影演示等方法給學生觀察運行結果。待工程文件分發后，學生也可以自行對電路進行改進，學生參與操作仿真，顯示直觀清晰，學生通過參與操作和觀察結果，不僅掌握了知識點，也提高了學習的能動性，能獲得更加良好的教學效果。

2.3 用Proteus改進實踐教學

采用仿真軟件Proteus構建虛擬實驗室，由于軟件所帶元件庫元器件比較充分， 這樣使得Proteus幾乎可以仿真傳感器課程的所有知識點，運用時就具有較大的靈活性和較寬的適應性，這就為傳感器的實踐教學帶來很大優勢。在學習過程中，學生可靈活采用Proteus所提供的元器件仿真模型和自定義模型設計硬件電路圖，同時進行仿真調試，并能及時看到運行結果。這樣的教學方法一方面讓學生了解傳感器電路的結構，發現問題和解決問題的能力得到了鍛煉;也給學生提供了較大的自我學習空間。例如：I/V轉換電路的構建，利用了運算放大器構建了一個傳感器應用里面常用的將4～20mA電流轉換為0～+5v的電路。以前的教學實踐是直接采用實際元器件在電子"面包板"上進行構建。鑒于元器件、導線和"面包板"天然經常性的接觸不良、學生接線錯誤及元器件損壞等原因，最終成功率普遍不高。采用Proteus軟件的虛擬元件及仿真功能后，杜絕了元器件間連線的接觸不良及元件損壞的干擾，成功率大幅提高。圖2，I/V轉換電路。Proteus仿真動態直觀，測量和調試統一，過程和結果統一，有助于學生的感性理解和接受。學生增強了學習的信心，多個學習難點逐步在實踐中得到解決。

在教學中引入Proteus仿真軟件，減少了學習過程的設備限制和時間限制，擴大了學習的時間和空間。只要有電腦，學習者就可以充分利用課余時間在自己的電腦上隨時進行學習和仿真。節省了大量的元件和設備的投資。還能避免實訓的各種危險。同時，還可以拓展開放性的教學。開放式教學主要包括兩種形式：一是實訓課沒有完成的實驗內容，或者是雖然完成了，但是還存在疑問的。二是對傳感器學習感興趣，在原有傳感器學習的基礎上，在老師的指導下，自己動手設計進行其他傳感器電路的分析與開發的，拓展學生的課外學習內容，鼓勵學生參加科技興趣小組活動。

3 Proteus的教學應用效果

沒有應用Proteus前，學生普遍反映傳感器內容難學難記，引入Proteus仿真教學后，學生比以往更容易接受單純的理論知識學習。Proteus使抽象內容形象化，使重點易懂，難點更容易化解。其極為真實的動態演示激發了學生的學習興趣和積極性，使教學質量提高明顯。引入Proteus使每個學生只需擁有個人電腦就能擁有一個完整的虛擬實驗室，學生可在Proteus原理圖設計窗口中大膽進行設計修改和調試，而不用擔心會損壞電子元件和儀器儀表。實際結果與仿真結果統一，在制作實物電路前就可以看到仿真結果， ，保證了成功率的很高。學生的膽子變大了，獨立操作能力、學習的主動性和創造力都得到了充分發揮。

因此，Proteus仿真促使了傳感器實訓課程的成功，提高了學生對傳感器電路的深入理解、也提高了學生對傳感器電路的設計和制作調試能力。事實充分證明： Proteus是學生在傳感器學習中學與用、理論與實踐相結合的優秀學習平臺。

4 結束語

Proteus的操作簡單易上手，對初學者特別適用，其革命性地改變了傳統電子電路的學習和開發方式，大部分情況下可以在沒有硬件支持的基礎上進行數字及模擬電路的設計開發，大幅縮短了研發周期，節省了開發成本。Proteus在傳感器及相關實訓教學環節的有效應用，使得學生較為高效地掌握所學知識，減少了學生在學習過程中從理論知識到實際應用過渡的時間，提高了學習效率，促進了課程學習和教學改革，增強了學生的學習興趣和創新能力。但必須明確，仿真只是無限接近結果但并不能完全代替實物驗證，只有將Proteus的仿真結果指導應用于具體電路的學習和開發，才能真正提升學生的電子電路綜合開發和傳感器應用能力。

參考文獻

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