测控技术与仪器专业综合课程设计分析

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摘要：为加强测控技术与仪器专业学生的动手能力和实践经验，具有独立设计先进的仪器和自动测试系统的能力，开设了“综合课程设计”这门课。现以“智能电子秤”的设计为例，介绍如何逐步引导学生完成综合课程设计的一种具体做法，包括设计目标、设计要求、设计内容和实施方法等。实践证明，这些措施能激发学生自主学习的积极性，取得了较好的教学效果。

关键词：单片机；电子秤；测控技术与仪器；课程设计

作者简介：白洁（1968-），女，陕西西安人，西安交通大学电气工程学院，高级工程师。（陕西 西安 710049）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0085-02

测控技术与仪器专业是由教育部在1998年把计量仪器、光学仪器、计时仪器、分析仪器、热工仪表、航空仪表、电子测量仪器等11个仪器仪表类的专业合并而成的，发展至今已成为一门实用性非常强的学科。[1]它专业口径宽，涉及知识面广，整合了多个专业方向的知识，主要包含了电子、机械、计算机等方面。测控技术与仪器专业综合课程设计是西安交通大学测控专业大学四年级必修的一门专业课程，旨在提高学生综合应用所学专业基础理论，独立设计、构建、调试仪器与检测系统的能力，强化对仪器与检测系统工程的感性认识，培养学生在系统分析、设计、开发与研究等方面的基本能力。[2]

一、综合课程设计实训方案

测控专业综合课程设计被安排在大四的第一学期，是在所有必修课程和绝大多数选修课程学习完成后开设的，是对“模拟电子技术基础”、“数字电子技术基础”、“传感器原理及应用”、“电路分析”、“智能仪器”和“数字信号处理”等课程知识的进一步理解、巩固、加深和应用。

测控专业综合课程设计共64学时，其中上课16学时，实验48学时。上课部分是由老师各用2学时把各自的研究方向、在研课题以及相关理论向学生进行介绍和讲解，学生再结合自己的兴趣、能力选择课程设计的指导教师，教师以此为据分配课程设计的题目，提出具体要求，学生独立完成课程设计。指导教师和学生之间是双向选择，调动了学生自主学习的积极性。

综合课程设计是实践教学环节中除毕业设计的一次较大型实践训练，从元器件的选型到系统的构建以及放大、调理电路的选择与搭建、数据的采集及调试、接口程序的编制等全由学生自己去完成，而教师只起引导作用。这样，学生在完成实验后，不仅在系统设计能力、硬件选择能力和系统构建能力等方面大大增强和提高外，自信心和成就感也得到极大加强。[3]学生第一次遇到这种综合性强、设计的灵活性也较大的实践项目，要在48学时内完成是有一定难度的。首先对实验室实行了开放式管理，学生可根据自己情况自主选择实验时间。其次，为了引导学生尽快进入课题，将设计目标细化，分为几个小目标，学生可根据自己的实际情况一步一步完成，最后进行综合。本文以选题之一的“智能电子秤”的设计为例，介绍其实施的具体方案。

1.“智能电子秤”设计目标

“智能电子秤”的设计这个项目虽然功能简单，但涉及了从传感器电路、信号处理电路到显示电路的整个测量系统组建的相关知识。通过该项目使学生掌握智能仪器设计的总体思路和方法，将所学的基础知识进行综合应用，理论和实践相结合，培养学生的发现问题、分析问题和解决问题的能力。“智能电子秤”的设计目标：量程0～6.0kg，准确度1%，分辨力5g，输出方式为4位LED显示，并具有量程变换和超重报警功能。

2.总体方案设计

根据设计目标，学生在查阅大量相关资料的基础上，采用模块化的总体设计方案。把“智能电子秤”的总目标分解为5个内容相对单一的小目标，包括了软硬件两大部分：查阅相关资料，确定智能电子秤总体方案；搭建活塞压力计YS–6、压阻式传感器及供电电路组成的传感器电路；使用protel对单片机C8051f020构成的信号处理及数码管显示电路进行硬件设计；使用C语言进行程序设计，并使用keil c51仿真；对电子秤进行系统性能测试。智能电子秤组成框图如图1所示。

测量系统的组建这部分内容是已经学习过的“电气测量技术“课程的核心内容，学生通过自主设计，结合相关的理论知识，就可以很好地完成这部分设计。通过实践验证了相关的理论知识，可以激发学生进行探索的积极性。

3.“智能电子秤”硬件电路的设计

由图1可知，智能电子秤由压力传感器、信号调理电路、具有AD转换功能的单片机和显示等4个部分组成。

（1）压力传感器电路：选择的是实验室现有的由活塞式压力计YS–6、压阻式传感器及供电电路组成，其中压力计和传感器是集成到一起的，可直接使用。

（2）调理电路：包括差动全桥、放大电路和滤波电路三部分组成。与压阻式压力传感器相配的调理电路采用恒流源供电的差动全桥，其中供电电流为14mA。单片机的AD转换基准电压是2.403V，而压阻式传感器的输出信号为–5～55mV，这就需要对传感器的输出信号进行放大处理。根据计算可得放大器的放大倍数为25左右比较合适。传感器的输出阻抗很高，要求放大电路须有更高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，以免破坏传感器的工作状态。学生选择的AD620仪用放大器特点为：差动输入，单端输出，电压增益连续可调，并有效地解决了后级负载对地连接的问题。另外在AD620的输入与地、输出与地之间都接了10 F的滤波电容，增强抗干扰能力。

（3）AD转换电路：电子秤设计要求的分辨力为5g，量程为0～6.0kg，即可算出需要12位的AD转换，所以选择单片机C8051f020的12位AD来完成。

（4）显示电路：将单片机分析处理的数据显示出来，利用集成的四位共阳极数码管显示。数码管的位选是单片机的P0.0–P0.3端口，段选是单片机的P0.0–P0.7端口，采用的是动态显示。

学生最终完成的电子秤的硬件电路图如图2所示。

4.“智能电子秤”软件部分设计

智能电子称是采用Keil C51单片机软件开发系统进行程序编写，实现电压信号采集、12位AD转换、数据处理及四位数码管显示等功能。同时也在程序中加进了两个智能化功能：超重显示和量程变换。程序的流程图如图3所示。

二、电子秤的静态性能评价

这一部分内容对测控专业的学生来说是很重要的，它有助于学生判定所设计的仪器能否达到系统设计要求。通过分析可得，用于静态称重的电子秤主要误差来源有：压力传感器、传感器输出信号的处理系统（包括前置放大器、A/D转换器和机械承重系统等）。其中机械承重系统的误差、电源波动引入的误差以及称重传感器与测量线路引线带来的等不易定量计算误差可通过合理的设计、安装来削弱，并在误差分配时给予一定的冗余量来保证。[4]该电子秤的系统的量程为6.0kg，在满量程范围内标定点数l=7，正反行程循环次数n=4，标准砝码提供的标准值，总计标定值的个数N=56，如表1所示。xj表示标准重量，mj表示显示的重量，单位均为kg。

最后通过计算可得该电子秤的各静态性能指标：拟合直线方程：采用最小二乘法得拟合直线方程，，

可得测量系统零点为；独立线性度：=0.15%；滞后：=0.30%；重复性：取置信因子K=3，置信度为99.73%时的重复性=0.27%；准确度：在传感器或含有传感器的测量系统中，通常用精度A来表征准确度，它由线性度、迟滞、与重复性之和得出，即A=++=0.15%+0.30%+0.27%=0.72%；最大引用误差=0.33%。由此可确定，智能电子秤满足设计要求，其准确度是0.72%，可评定为Ⅳ级。

通过对“智能电子秤”的设计和制作，学生把学到的课本知识和实践相结合，对所遇到的困难能够积极解决，比如在发现测量误差比较大时，找原因，了解误差的来源。这一切都表明学生能够自主学习，而不是等着老师来解决问题。学生一旦能自己找到问题并解决，就会提升自信心，激发了学习的积极性。“智能电子秤”虽然是一套由传感器和单片机构成的简单智能仪器，但也充分体现了智能仪器的普遍设计思路和方法，为以后复杂智能仪器的开发打下了基础。

三、结论

测控技术与仪器专业综合课程设计已开出了5届，实践表明该课程的开设是较为成功的，有效培养了学生的实践能力和工程意识，提升了学生的专业认同度和学习积极性。学生根据自己的兴趣和能力选择课程设计的题目，更能激发自主学习的积极性，有助于学生有效地掌握所学知识，缩短从理论知识到实际应用的过程，使学生得到了一次完整的系统性的工程实战训练，大大加强了对理论知识的融会贯通和对实践动手能力的锻炼，为后续的毕业设计以及为将来走入科研工作岗位打下了一定的基础。

参考文献：

[1] 朱维斌，赵军，陆艺.测控技术与仪器专业传感器系列课程设计实验环节探讨[J].中国现代教育装备，2010，（21）：118-119.

[2]向欣，王永骥.测控与自动化专业综合课程设计实例[J].实验室研究与探索，2008，（8）：119-122.

[3]曹建安，杨爽.测控技术与仪器专业教学改革思考[J].电气电子教学学报，2010，（4）：4-6.

[4]刘君华，申忠如，郭富田.现代测试技术与系统集成[M].北京：电子工业出版社，2005.