第 １５ 卷 第 １ 期 ２０１７ 年 ２ 月 实验科学与技术 ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ１５Ｎｏ１ Ｆｅｂ２０１７ 传感器技术仿真实验的设计与研究 张婧婧 ａ ，李勇伟 ｂ （新疆农业大学 ａ 计算机与信息工程学院；ｂ 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 ８３００５２ ） 摘要 作为传感器课程项目式教学的重要实验工具———仿真软件的应用有助于学习者加深对传感器原理及特性的理 解，同时推进实验过程高效、经济地开展。该文以 ＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件、Ｐｒｏｔｅｕｓ 仿真软件和 Ｌａｂｖｉｅｗ仿真软件为例，阐述 了不同设计层次选取不同仿真软件对项目设计的必要性，同时也为传感器课程设计了易于操作的仿真实验体系。 关 键 词 传感器技术；仿真软件；项目式教学；ＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍ ；Ｐｒｏｔｅｕｓ ；Ｌａｂｖｉｅｗ 中图分类号 ＴＭ３４３ ； Ｇ７１２ 文献标志码 Ａ ｄｏｉ ： １０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４５５０２０１７０１０１４ 收稿日期：２０１５－０８－２７ ；修改日期：２０１５－１０－０３ 基金项目：新疆农业大学新办专业专业课程建设项目（ ２０１５ＸＢＺＹ０７ ）资助。 作者简介：张婧婧（ １９８１－ ），女，硕士，讲师，主要从事复杂系统、嵌入式理论与应用方向的研究工作。 ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＳｅｎｓｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺＨＡＮＧＪｉｎｇｊｉｎｇ ａ ，ＬＩＹｏｎｇｗｅｉ ｂ （ ａＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ； ｂＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＣｏｌｌｅｇｅ ，ＸｉｎｊｉａｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ， Ｕｒｕｍｑｉ ， ８３００５２ ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｏｏｌｆｏｒｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｏｆｓｅｎｓｏｒｃｏｕｒｓｅｓ ， ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｈｅｌｐ ｌｅａｒｎｅｒｓｔｏｄｅｅｐｅｎｔｈｅｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ， ａｎｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ ， ｗｅｔａｋｅｔｈｅＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ ， Ｐｒｏｔｅｕｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔ ｗａｒｅａｎｄＬａｂｖｉｅｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｓｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｓ ， ｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｌｅｖｅｌｓｎｅｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｄｅｓｉｇｎ ， ａｎｄｗｅａｌｓｏｄｅｓｉｇｎａｎｅａｓｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｓｅｎｓｏｒｃｏｕｒｓｅｔｅａｃｈ ｉｎｇ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ ； ｐｒｏｊｅｃｔｔｅａｃｈｉｎｇ ； ＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍ ； Ｐｒｏｔｅｕｓ ； Ｌａｂｖｉｅｗ 作为工科类的主干课程，传感器技术课程对学习 者的实践能力要求较高。目前，传感器技术教学中以 原理性验证、应用型设计为主要目标的实验内容逐渐 被项目式教学内容吸收或覆盖 ［ １－３ ］ ，在集成电路或功 能模块的参与下，学习者往往会忽视项目本身所涉及 的传感器或相关知识点的重要性，因此辅之以必要的 仿真实验，可以加深学习者对课程理论的理解，也有 助于提高项目的设计效率，避免各类调理电路的重复 制作。本文以 ３ 种仿真软件 ［ ４－５ ］ 为例，阐述对传感器 技术课程仿真实验的研究与理解。 １ 仿真软件的选择与应用 仿真实验软件的应用结构图如图 １ 所示。从 图 １ 中不难看出，涉及传感器原理性的基础电路应 选取适于精准测量电子电路的仿真软件 ＮＩＭｕｌｔｉ ｓｉｍ ［ ６－９ ］ 为宜；涉及程控传感过程的仿真系统，应选 择擅长运用单片机的 Ｐｒｏｔｅｕｓ ［ １０－１２ ］ 软件为主；涉及传 感器数据采集和上位机显示的项目，则选择 Ｌａｂ ｖｉｅｗ ［ １３－１５ ］ 仿真软件最为合理。在规模较大的项目设 计中，上述 ３ 类软件还能很好地结合使用，如利用 “ Ｐｒｏｔｅｕｓ＋Ｌａｂｖｉｅｗ ” ［ １６ ］ 组合或 “ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ＋Ｌａｂ ｖｉｅｗ ” ［ １７ ］ 组合的仿真系统已经在数据监测平台开发 中普遍采用，因此学习者在不同设计层次选择相应 的仿真软件，将为传感器项目设计奠定良好的基础。 ２ ＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍ软件的仿真实例 ＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍ软件擅长原理电路的设计、电子电 路的功能测试。在传感器原理实验中，可以利用该 软件完成热敏电阻、湿敏电阻、金属应变片、压电 陶瓷片和霍尔开关等传感电路的虚拟仿真，加强学 习者对传感器原理和特性的理解。软件中丰富的测 试仪器还有助于进行各类电路的参数测试，提高设 计效率。 利用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ实现的湿度报警器如图 ２ 所示， 雨滴传感器（在图 ２ 中用开关 Ｊ１ 表示）采集到湿度 信号后，会将自身 １００Ｍ Ω 以上的电阻值降低为 １０ｋ Ω 左右，在图 ２ 电路中起到开关作用，促使三 极管 ２Ｎ３９０６ 处于导通状态或截止状态，随后利用
