周春艷 盛洪江 張白

摘 ?要 針對傳感器課程設計這門課程的實施過程，在分析目前存在的不足和缺陷的基礎上，從內容、組織形式、實施方式等方面進行改革研究和探索，提出利用單片機結合LabVIEW的方式，對學生從傳感器檢測系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計、上位機可視化界面的設計、標定和誤差分析等幾個方面進行綜合性的訓練。

關鍵詞 傳感器;課程設計;LabVIEW;單片機

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）11-0076-04

1 引言

隨著新技術革命的到來，人類社會開始進入信息時代，在信息利用過程中，首先需要解決的問題就是如何準確、快速獲取可靠的信息。傳感器作為信息獲取的源頭，是獲取自然界和生產(chǎn)領域信息的主要工具，在當代科學技術中占有非常重要的地位[1]。“傳感器原理與檢測技術”是測控技術與儀器、自動化、電子信息等專業(yè)的專業(yè)基礎課，綜合性較高，具有很強的實踐性和應用性，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力方面有重要作用[2]。課程設計是一門課程的綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，通過課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新意識和嚴肅認真求實的治學態(tài)度，培養(yǎng)學生設計、計算、文獻查閱、論文撰寫等方面的能力[3]。

本文從培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的社會需求出發(fā)，利用傳感器結合單片機和LabVIEW實現(xiàn)信號的采集、處理和顯示等過程，探索適合學生能力發(fā)展的“傳感器原理與檢測技術”課程設計新模式，加強課程之間的關聯(lián)性、自然銜接和相互配合，幫助學生構建完整的知識結構[4]。

2 傳感器課程設計教學現(xiàn)狀

在新工科和工程教育認證背景下，應該以學生能力的全面發(fā)展和提升為目標導向，培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作精神，確保畢業(yè)生可以達到行業(yè)認可的既定質量標準要求?！皞鞲衅髟砼c檢測技術”這門課程作為諸多電子相關專業(yè)的基礎課，在學生專業(yè)素質培養(yǎng)中占有重要位置，而課程設計對于學生對這門課程理論知識的鞏固、綜合運用所學知識解決實際問題能力的培養(yǎng)具有突出的作用[5]。但是，目前在課程設計環(huán)節(jié)的實施過程中還存在一定的不足和缺陷，不能較好地完成以學生為導向的目標任務，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）內容上。傳統(tǒng)的傳感器課程設計注重于傳感器原理、性能和電路等方面的設計，與其他課程之間的聯(lián)系不夠緊密，學生缺乏一種整體的科學思維。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的升級，傳感器的發(fā)展日新月異，不斷朝著智能化、微型化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。因此，對傳感器的學習更應該注重信號的采集、處理、數(shù)據(jù)挖掘等一系列的整體過程，并能夠對信號的形式結合實際工程應用進行科學解釋，樹立一種科學的大局觀和總體認知能力。

2）組織形式上。目前，各大高校針對課程設計的實施，大都是采用集中一周或兩周的時間來進行，布置一個任務讓學生在短期內實現(xiàn)既定的要求。對于學有余力或基礎較好的學生，這樣的形式比較適合;但是對于基礎較弱的學生，在短期內要掌握很多新的知識是很困難的，只能依賴于組長或其他學生，就會出現(xiàn)渾水摸魚的現(xiàn)象，缺乏主動探索的欲望，喪失真正掌握知識的成就感。

3）實現(xiàn)方式上。目前在傳感器課程設計的實現(xiàn)方式上，多采用半開放的模式，即前端的傳感器和處理電路是分立元件，而后端是利用實驗平臺實現(xiàn)信號的采集，這就限制了學生對于信號的采集和處理環(huán)節(jié)的學習。

3 傳感器課程設計改革模式探討

課程設計的組織形式應以學生的需要、興趣和目的為中心，做到以學生為本。教師在整個過程中可以幫助學生共同確立目標、制定計劃實施方案以及評定方式等。學生在實施過程中會遇到困難和障礙，教會他們采取什么途徑，如何通過查找資料來解決問題，讓學生在接受挑戰(zhàn)、克服困難的過程中尋找學習的意義、價值，培養(yǎng)學習的主動性。整個過程分為項目準備和項目實施兩個環(huán)節(jié)。

項目準備 ?項目的準備環(huán)節(jié)就是幫助學生確立設計目標、設計要求并制訂實施方案的過程。在這個環(huán)節(jié)應該針對學生興趣和實踐動手能力，確立難度適當超出學生認知程度的題目，讓學生有思考和探索的空間，在解決困難的過程中培養(yǎng)學習的主動性，也感受學習的意義和樂趣。項目準備的內容主要應包含四個方面。

1）明確目標。首先要明確該項目要實現(xiàn)的目標，也即被測量是什么，要達到的性能指標，顯示方式、通信方式、上位機顯示界面等要求。

2）明確相關聯(lián)的理論知識。根據(jù)被測量，明確選用什么傳感器，該傳感器的原理等。如要設計基于紅外的測距儀，則需掌握紅外測距傳感器的基本原理、輸出信號的形式、如何進行標定和標度變換等，還需掌握單片機實現(xiàn)A/D采集、上位機編程方式等理論知識。

3）確定設計方案。首先是處理器的選擇，可以選擇目前流行的Arduino進行設計，很容易實現(xiàn)信號的采集，但是對硬件知識要求太低。為了訓練學生的硬件知識和編程思想，可選擇51單片機。對于傳感器的選擇，可以選擇模擬式的，也可選擇數(shù)字式的。其次就是上位機編程軟件的選擇，如選擇LabVIEW、MATLAB、VB、VC++等環(huán)境來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形監(jiān)控界面。

4）教學方式的確定?？梢圆捎脤嵺`和理論相結合的方式，將課程設計貫穿整個理論教學環(huán)節(jié)。將課程設計的內容按設計步驟分解成若干個子項目，讓學生從簡單的項目入手，一步步完成整個項目。如圖1所示為整個項目實現(xiàn)內容，可以將硬件部分分為五個子項目，讓學生每周完成一個子項目，并在規(guī)定的時間內驗收答辯。等到第四個和第五個項目完成后，再設計上位機的程序。

項目實施 ?項目的實施總共分為三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)：一是下位機信號采集及顯示部分的設計和調試;二是上位機可視化程序部分的設計和調試;三是系統(tǒng)標定和誤差分析。第一個環(huán)節(jié)需要分為五個子項目來實現(xiàn)。

1）下位機采集系統(tǒng)設計。如表1所示，項目難度逐次遞增，每一個項目都是在前一個項目的基礎上進行擴展而實現(xiàn)新的功能。

2）上位機顯示項目設計。利用LabVIEW完成數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲等功能，設計數(shù)據(jù)的圖形監(jiān)控界面。如圖2所示，以紅外測距系統(tǒng)為例，可以在上位機上實時監(jiān)控位移的變化方向及變化量，也可計算測量誤差并進行誤差修正。

3）系統(tǒng)的標定和誤差分析。對系統(tǒng)的標定就是利用標準的計量儀器對所設計的測量系統(tǒng)的準確度進行檢測的過程。對于模擬輸出的傳感器，標定就是建立輸出電壓和輸入被測量之間的數(shù)學關系式，對于數(shù)字量輸出的傳感器，確定其誤差的大小并進行修正。如圖3所示為紅外測距系統(tǒng)的輸出信號和被測量之間的關系圖，利用高精度激光干涉測距儀精確測量位移值。

由圖可以看出，傳感器輸出的電壓與被測距離之間呈指數(shù)下降關系。然后根據(jù)標定的數(shù)據(jù)可以建立電壓和被測距離之間的關系并擬合出相關方程，如式（1）所示，利用該公式就可利用紅外傳感器進行位移的測量。

還可進行誤差分析，掌握傳感器的各種特性參數(shù)，如線性度、量程、靈敏度等重要的靜態(tài)特性指標，也可測量其動態(tài)特性，讓學生對傳感器的靜態(tài)和動態(tài)特性有更直觀的理解。如圖4所示為紅外測距傳感器的測量值和實際距離值之間的偏差曲線。

從圖中可以看出，當被測距離較小時，測量誤差較小;隨著被測距離的增大，誤差也逐漸增大。因此，在實際應用過程中，可以選擇最佳的測量范圍，以達到較高的測量精度。將被測值和實際值擬合成一條直線，如式（2）所示，決定系數(shù)R2可以達到0.98，說明該傳感器的測量精度較高，可以滿足精度要求不是很高的場合。

y=0.78x+9.47

項目總結 ?項目總結包括成果展示和報告的撰寫。在整個課程設計環(huán)節(jié)，報告的撰寫占有很重要的地位，寫報告的過程可以幫助學生梳理思路，是一個建立知識鏈接的過程，是將所學知識由實踐上升到理論的過程。因此，要對報告進行嚴格把關，規(guī)范格式和內容。

項目評價 ?項目評價即成績的評定，教師對學生所做項目結合實物和報告的撰寫情況進行客觀評價，肯定學生在設計過程中的積極部分，對不足部分提出改進意見?？己诉^程應考慮公平性和靈活性，也應培養(yǎng)學生在整個設計過程中的團隊協(xié)作精神和集體意識。因此，綜合成績分為小組集體得分和個人得分。表2所示為綜合成績評定標準。對于考勤分，如果個人有缺勤的狀況，也會影響到小組集體得分，因此對學生有一定的約束力，也避免發(fā)生“搭便車”的消極現(xiàn)象。另外，在下位機的五個項目實施過程中，要求小組的五個成員，每人擔任一次組長職務并對成果進行講解和答辯。這樣一來，個人的表現(xiàn)也會影響到集體得分，是對學生的督促，也讓他們學會相互合作和配合。

4 結語

本文從項目準備環(huán)節(jié)和項目實施環(huán)節(jié)對傳感器的課程設計進行改革和探索，設計基于單片機和LabVIEW的綜合性設計項目，讓學生從整體上把握整個檢測系統(tǒng)的設計實施過程，掌握各個環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，更進一步加深對課程群和專業(yè)的認識。題目難度由易到難，并適當超出學生認知水平，讓學生在解決困難的過程中體會到學習的樂趣和意義，樹立主動學習的意識。通過采用集體考核制、人人參與制，培養(yǎng)學生的責任感和團體協(xié)作能力。

參考文獻

[1]劉曉旻，張曉芳，李蘇貴.現(xiàn)代工程教育理念下的傳感器課程教學改革[J].中國電力教育，2010（6）：107-110.

[2]劉海妹，夏旭.基于工程實踐應用能力培養(yǎng)的傳感器課程教學改革[J].通信電源技術，2015，32（2）：123-125.

[3]黃艷.基于能力培養(yǎng)的傳感器課程教學改革探索[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2014（3）：83-85.

[4]方桂娟，伍坪.應用技術型本科傳感器課程教學改革探究[J].武漢輕工大學學報，2016（1）：114-116.

[5]謝建宏.基于項目驅動的傳感器原理課程教學改革研究[J].實驗室研究與探索，2018，37（10）：222-224，267.