CN105894884A - 传感器原理及应用实验教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器原理及应用实验教学系统，它包括传感器模块、无线数据收发模块、无线交互协调器和开放式上位机，其中：传感器模块包括若干不同种类的传感器以及调理传感器所输出模拟信号的信号调理模块，信号调理模块与无线数据收发模块有线连接，无线数据收发模块与在实验室环境下实现短距离无线通信的无线交互协调器之间进行无线通信，无线交互协调器与支持多种语言二次开发个性化交互界面以及增减、更改实验项目的开放式上位机之间通过串口通信方式有线连接。本发明使实验操作变得更加灵活，实验过程采用无线方式实现，可根据实验需求进行扩充，实验拓展性强，实用性强。

Description

传感器原理及应用实验教学系统

技术领域

本发明涉及一种传感器原理及应用实验教学系统，属于传感器实验教学领域。

背景技术

传统的实验教学装置通常是将传感器、调理模块、信号采集模块、显示模块固定地安装在一个设备平台上。实验时，针对需要测量的某种类传感器，学生在此种类传感器与调理模块之间进行简单合理的接线，以此完成一些验证性的实验操作。通过多年的实验教学可以看出，传统的实验教学装置存在以下缺点：第一，结构固定，不可随意改变，实验操作灵活性差；第二，各种类传感器之间互相独立，学生每次只能针对一个种类的传感器进行测量，无法实现多种类传感器之间的综合测量，实验便捷性、灵活性差；第三，此实验教学装置只能进行本地有线测量，对于一些需要无线测量条件的实验课程，此实验教学装置无法提供适合的实验条件；第四，此实验教学装置不对学生开放其内部编程程序(包括界面显示程序等)，学生不能进行二次开发，尤其是界面显示程序的重用性差，而学生又不能设计自己的个性化交互界面，互动性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传感器原理及应用实验教学系统，其使实验操作变得更加灵活，实验过程采用无线方式实现，可根据实验需求进行扩充，实验拓展性强，实用性强。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种传感器原理及应用实验教学系统，其特征在于：它包括传感器模块、无线数据收发模块、无线交互协调器和开放式上位机，其中：传感器模块包括若干不同种类的传感器以及调理传感器所输出模拟信号的信号调理模块，信号调理模块与无线数据收发模块有线连接，无线数据收发模块与在实验室环境下实现短距离无线通信的无线交互协调器之间进行无线通信，无线交互协调器与支持多种语言二次开发个性化交互界面以及增减、更改实验项目的开放式上位机之间通过串口通信方式有线连接。

所述信号调理模块包括针对不同种类所述传感器设计的专用调理电路以及各种类所述传感器均适用的通用调理电路，各所述传感器与专用调理电路、通用调理电路之间以及专用调理电路与通用调理电路之间根据实验需求搭建连接，以实现所述传感器模块的模块化功能。

所述通用调理电路包括信号放大电路、过滤电路、缓冲电路和定标处理电路。

所述无线交互协调器与手持智能终端之间通过实现远程无线通信的无线网络服务器进行无线通信。

本发明的优点是：

1、本发明完全摒弃传统实验教学装置的结构，采用分散性布局结构，将无线通信技术、串口通信技术、传感器网络节点开发技术、上位机开发技术相独立设计，将信号感知、信号调理、无线通信、上位机交互等设备相独立设计，使实验操作变得更加灵活，可根据实验需求进行扩充，针对不同实验课程需求，更换合适的传感器，实验拓展性强。

2、本发明采用开放式上位机设计，学生可自行二次开发设计个性化的交互界面、独立开发个性化的实验项目，使学生在完成实验项目的同时，可主动思考，锻炼软件系统设计能力，拓展了实验内容。

3、本发明成本低廉，一方面，只需要一台PC机作为开放式上位机，另一方面，如果需要更新或替换某一种类传感器，只需要开发针对此种类传感器的专用调理电路，就可很方便地将其扩充到本发明中，而不需要重复购买设备平台，极大节省了资金和资源。

4、本发明的实验过程采用无线传输方式实现，数据采集与传输不受时空限制，即便在实验室不开放的时候，学生也可通过手机等手持智能终端实现随时随地接收传感器信号的功能，使实验在时间和空间上得到扩充。

5、通过使用本发明，学生可以完成一个从设计到实现再到测量的全过程，充分调动了学生实验的积极性，增强了实验教学的灵活性，提高了实验教学效率。

6、本发明易于扩展、维护，灵活性强，实用性强。

附图说明

图1是本发明传感器原理及应用实验教学系统的组成示意图。

具体实施方式

如图1，本发明传感器原理及应用实验教学系统包括传感器模块80、无线数据收发模块30、无线交互协调器40和开放式上位机50，其中：传感器模块80包括若干不同种类的传感器10以及调理传感器10所输出模拟信号的信号调理模块20，信号调理模块20的相应调理信号输出端口与无线数据收发模块30的AD数据采集端口有线连接，无线数据收发模块30与在实验室环境下实现短距离无线通信的无线交互协调器40之间进行无线通信，无线交互协调器40的信号传输端口与支持多种语言(如VC、VB、JAVA、Matlab、LabVIEW等)二次开发个性化交互界面以及增减、更改实验项目的开放式上位机50的相应信号端口之间通过串口通信方式有线连接。

在实际设计中，信号调理模块20可包括针对不同种类传感器10设计的专用调理电路(图中未示出，熟知技术)以及各种类传感器10均适用的通用调理电路(图中未示出)，各传感器10与专用调理电路、通用调理电路之间以及专用调理电路与通用调理电路之间根据实验需求可灵活搭建连接，以实现传感器模块80的模块化功能。

通用调理电路可包括信号放大电路、过滤电路、缓冲电路和定标处理电路，当然并不局限于上述。

在实际实施时，不同种类的传感器10可为硅电容式集成传感器、磁敏传感器、酒精传感器、温度传感器、薄膜应变片传感器、AD590传感器等。

如图1，无线交互协调器40还可与手持智能终端70之间通过实现远程无线通信的无线网络服务器60进行无线通信。

在本发明中，信号调理模块20主要对传感器10输出的模拟信号进行放大、过滤、缓冲或定标处理。传感器模块80的这种模块化结构设计增加了实验设备的灵活性，通用性强，可以搭配不同种类传感器10使用，节约了开发成本，经济性好。

无线数据收发模块30主要用于对传感器模块80发出的调理信号进行A/D模数转换，然后以无线通信方式传送给无线交互协调器40。无线数据收发模块30与无线交互协调器40之间的短距离通信方式可多样化，如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。

无线交互协调器40主要用于在实验室环境下与无线数据收发模块30实现短距离无线通信，以及将接收到的信号通过串口通信方式上传到开放式上位机50。

无线网络服务器60主要用于实现远程无线通信，当学生用手持智能终端70(如手机等)对实验数据进行实时接收时，其可将从无线交互协调器40接收的实验数据发送到手持智能终端70，其所使用的网络可以是移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网等。

下面以无线测距实验为例说明本发明的工作过程。

首先选择磁敏传感器，并用连接线将磁敏传感器与相应专用调理电路、通用调理电路之间搭建连接起来，然后将信号调理模块20最终输出的信号端口与无线数据收发模块30的AD数据采集端口连接起来。串口连接并配置无线交互协调器40与开放式上位机50之间的串口通信，学生在开放式上位机50上完成相应的二次开发编程。

打开开放式上位机50上的系统界面，选择磁敏传感器的无线测距实验，进入子系统界面，配置无线交互协调器40与开放式上位机50之间的串口通信地址，对实验参数进行设置和调整。

开始实验，于是磁敏传感器将检测到的距离信号传送给信号调理模块20，由信号调理模块20进行相关信号调理，然后通过无线数据收发模块30传送给无线交互协调器40，由无线交互协调器40对相关数据执行压缩、融合后，上传给开放式上位机50，在开放式上位机50的系统界面中显示实验结果，从而完成各项实验项目。

在实际操作中，学生基于开放式上位机50，可以通过无线交互协调器40对本发明所构建的传感器网络进行配置管理、任务发布以及安全控制等各种反馈式操作。

在非实验时间，学生可通过手机等手持智能终端70通过无线网络服务器60，接收各传感器10输出的信号，对实验数据进行查看等操作。

本发明的优点是：

1、本发明完全摒弃传统实验教学装置的结构，采用分散性布局结构，将无线通信技术、串口通信技术、传感器网络节点开发技术、上位机开发技术相独立设计，将信号感知、信号调理、无线通信、上位机交互等设备相独立设计，使实验操作变得更加灵活，可根据实验需求进行扩充，针对不同实验课程需求，更换合适的传感器，实验拓展性强。

2、本发明采用开放式上位机设计，学生可自行二次开发设计个性化的交互界面、独立开发个性化的实验项目，使学生在完成实验项目的同时，可主动思考，锻炼软件系统设计能力，拓展了实验内容。

3、本发明成本低廉，一方面，只需要一台PC机作为开放式上位机，另一方面，如果需要更新或替换某一种类传感器，只需要开发针对此种类传感器的专用调理电路，就可很方便地将其扩充到本发明中，而不需要重复购买设备平台，极大节省了资金和资源。

4、本发明的实验过程采用无线传输方式实现，数据采集与传输不受时空限制，即便在实验室不开放的时候，学生也可通过手机等手持智能终端实现随时随地接收传感器信号的功能，使实验在时间和空间上得到扩充。

5、通过使用本发明，学生可以完成一个从设计到实现再到测量的全过程，充分调动了学生实验的积极性，增强了实验教学的灵活性，提高了实验教学效率。

6、本发明易于扩展、维护，灵活性强，实用性强。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种传感器原理及应用实验教学系统，其特征在于：它包括传感器模块、无线数据收发模块、无线交互协调器和开放式上位机，其中：传感器模块包括若干不同种类的传感器以及调理传感器所输出模拟信号的信号调理模块，信号调理模块与无线数据收发模块有线连接，无线数据收发模块与在实验室环境下实现短距离无线通信的无线交互协调器之间进行无线通信，无线交互协调器与支持多种语言二次开发个性化交互界面以及增减、更改实验项目的开放式上位机之间通过串口通信方式有线连接。

2.如权利要求1所述的传感器原理及应用实验教学系统，其特征在于：

所述信号调理模块包括针对不同种类所述传感器设计的专用调理电路以及各种类所述传感器均适用的通用调理电路，各所述传感器与专用调理电路、通用调理电路之间以及专用调理电路与通用调理电路之间根据实验需求搭建连接，以实现所述传感器模块的模块化功能。

3.如权利要求2所述的传感器原理及应用实验教学系统，其特征在于：

所述通用调理电路包括信号放大电路、过滤电路、缓冲电路和定标处理电路。

4.如权利要求1至3中任一项所述的传感器原理及应用实验教学系统，其特征在于：

所述无线交互协调器与手持智能终端之间通过实现远程无线通信的无线网络服务器进行无线通信。