單片機受力檢測系統教學案例設計

[摘 要] 傳感器與檢測技術課程的教學一直存在一個問題，就是概念化、理論化的知識與應用的脫離，為此結合應力應變片傳感器知識的講解和相關電子EDA課程知識，設計一款應力應變傳感器單片機檢測系統。并將其以教學案例的方式融入傳感器及相關課程教學中，讓學生在應用與動手實訓中掌握相關理論，并提升相關技能。采用形象生動的方式，完成了知識與應用的結合。經過教學實踐，學生在相關知識的掌握、知識的綜合運用、對問題的分析能力等方面都有很大提升。

[關鍵詞] 傳感器;單片機;受力檢測

[基金項目] 上海應用技術大學課程建設項目（1021zk191402004）

[作者簡介] 沈希忠（1968—），男，教授，博士，研究方向為檢測、信號處理。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0271-03? ? [收稿日期] 2019-11-10

目前，在教學過程中采用案例教學已經成為教學的一種慣例[1-2]。傳感器與檢測技術是上海應用技術大學電子信息專業、自動化、電氣自動化等工程類專業的一門基礎專業課程，這門課程涉及物理、電路、機械等基礎理論知識，與多門學科知識有關，實踐中需要相互結合才能應用，在教學中常常局限于抽象的理論分析和片面的講解，很難與具體應用結合[3-4]。本案例設計將受力檢測系統結合到教學中，運用實例使傳感器形象化，結合電子CAD設計、單片機設計，加深對本課程理論和實踐的理解。

受力檢測系統工業應用廣泛，生活中也隨處可見。從實現的基本原理到系統模塊的組成到元器件的選取都不盡相同。從教學可行性角度考慮，系統設計時盡量選取學生學過的或課程中涉及的較熟悉的芯片和模塊。根據相關課程，選定單片機芯片中的STC89C52作為控制的核心，對重量進行檢測，測量中傳感器選用應變片，組橋測量，構成傳感器，檢測到的信號傳輸給單片機，并顯示。主要知識點有零位測量、系統標定、應變片、橋路測量、單片機最小系統等，涉及的軟件有Altium Designer、Proteus、Keil等，加強學生對所學傳感器知識的理解與掌握，培養學生對所學知識的系統理解與綜合應用能力。

一、單片機受力檢測系統

（一）總體結構設計

受力檢測系統主要由單片機模塊、應變片、電橋電路、放大和AD模塊、顯示模塊等組成。電路開始時，單片機對檢測電路的輸出端進行定時采樣，并加以顯示。當有受力作用時，應變片感受力的變化，通過電橋輸出電壓，并經過放大和數模轉換成數字，再經過單片機處理為力的數值，并輸出顯示。

（二）主要模塊設計

1.單片機最小系統。由于開設傳感器與檢測技術課程前，學生學習過單片機原理等課程，這些課程曾介紹5l系列單片機，因此本課程設置課內課外學習和實踐中選取51系列單片機作為控制芯片，其最小系統包括時鐘電路、復位電路和電源電路等。實踐中我們選擇STC89C52芯片，+5V供電，復位電路采用按鍵復位方式。

2.應變片與電橋電路。電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的黏和劑緊密黏合在力學應變基體上，當基體受力發生應力應變時，電阻應變片產生形變，其阻值發生改變。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，需要電橋測量，再放大，傳輸顯示。我們采用絲式金屬電阻應變片，并組橋測量，電橋測量方式可以有單臂、雙臂、全橋測量，三種方式都可以用Proteus軟件仿真進行。

3.信號放大及其數模轉換模塊。我們用HX711專用應變片放大和數模轉換模塊，這是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A或通道B，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。芯片內提供的穩壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的A/D轉換器提供電源，系統板上無須另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。

4.傳感器標定及其指標計算。利用標準器具對傳感器進行標度的過程稱為標定。任何傳感器在使用前都需要對其進行標定，在使用一段時間后還需要對其進行校準，確保傳感器測量精確度。通過加載—卸載—再記載—再卸載等過程，確定傳感器的各類指標，如靈敏度、分辨率、非線性度等參數。

（三）系統原理圖與PCB設計

原理圖就是表示電路板上各器件之間連接原理的圖表，其作用非常重要，因此原理圖的設計是整個設計和系統實現的關鍵。印刷線路板（PCB）工程制作的水平，體現出設計者的設計水準，反映出印制板生產廠家的生產工藝能力和技術水平。PCB工程制作者責任重大，在處理PCB設計文件時，應該仔細檢查：接收文件是否符合設計者所制定的規則？能否符合PCB制造工藝要求？有無定位標記？線路布局是否合理？線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，能否滿足生產要求。元件在二維、三維空間上有無沖突？印制板尺寸是否與加工圖紙相符？后加在PCB圖形中的圖形（如圖標、注標）是否會造成信號短路。對一些不理想的線形進行編輯、修改。在PCB上是否加有工藝線？阻焊是否符合生產工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字符標志是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質量。

（四）系統軟件設計與實現

在系統通電后，主程序首先進行端口、顯示、數據的初始化，還有定時器的初始化，接著進行重物檢測，如果通電前就有重物的話，就把重物計入稱重裝置中，當再有物體放入是，檢測到重物信號，并顯示，從而完成一個周期的檢測。[5]

二、教學設計與實施

本教學案例可以安排在學生學完線性代數、C語言、模擬/數字電子技術、單片機原理及應用、傳感器與檢測技術等課程后，或者在學習單片機原理及應用、傳感器等課程過程中，作為實踐課程內容進行教學。可采用專周實訓，也可以課內分批實施。實施時，對學生進行分組，以小組完成設計。可以設計的題目如表1所示，具體內容安排及教學過程如表2所示，該表為通用型的，可以用于課內，也可以用于具體實踐周。

三、總結

傳感器與檢測技術涉及的學科面廣，不管是教還是學，如何理解并掌握這門課程一直是一個難點。目前高校開設本門課程，主要以理論教學為主，實踐輔導為輔，教師上課難以形象化，學生掌握有難度，再加上資金短缺，難以和實際應用結合，不符合現代教育對學生能力培養的要求。

課程教學中，我們以受力檢測系統設計與實現為突破口，結合傳感器、單片機等相關知識，將其涉及的知識按功能模塊分解，以案例融入有關課程內容的教學之中。可根據課程內容，對相關模塊知識進行偏重，保證課程教學的特點，同時將課程內容結合應用，實現理論與應用的結合，形象化相關知識。通過教學實踐，對學生的興趣、知識、能力方面都獲得一定的提升。當然，教學中要求老師具有一定的全局理論和實踐能力，也是一大挑戰。

參考文獻

[1]張曉宇，李林芷，石東平，等.傳感器原理課程“理實結合”教學案例探索[J].科技視界，2019（21）：91-92.

[2]王玉香，張喜紅，楊清志.基于熱釋電紅外傳感器的教學案例設計[J].上饒師范學院學報，37（6），2017：45-49，28.

[3]童敏明，唐守鋒，董海波，等.傳感器原理與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2015.

[4]高成，楊松，佟維妍，等.傳感器與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2018.

[5]嚴平鋒，凌志浩，蔣煒.步進電機的控制與檢測系統的設計與實現[J].自動化儀表，2014（4）：38-42.