CN110111656A - Dis方块电路实验系统 - Google Patents

Abstract

一种DIS方块电路实验系统，包括电路模块；电路模块上设置连接端口，连接端口之间设置电子元器件或电路；相邻电路模块之间通过磁性吸合连接并实现电路导通，形成完整电路。所述电路模块包括外壳、主电路板和导通电路板，外壳上设置有块间连接磁铁和吸板磁铁，主电路板设置在外壳内，主电路板上连接导通电路板，导通电路板上焊有弹簧针，弹簧针凸出外壳侧边。该系统通过磁力使实验中用到的各种电路模块连接在一起并可吸附在磁性平面上，相邻电路模块通过弹簧针弹性接触方式实现电路的导通，形成完整实验电路，方便快捷，整齐有序，不再依赖导电胶带进行线路连接，任何模块可随意直接拼接即可完成线路连接，不易脱落，简单易用，实现了教学的方便性。

Description

DIS方块电路实验系统

技术领域

本发明涉及一种用于物理教学中DIS(数字化信息系统)实验的系统，属于实验教学技术领域。

背景技术

目前，利用数字化信息系统(DIS)完成的电学实验是目前物理教学中的重要实验，学生通过使用电压表、电流表、滑动变阻器、电池等各种电路或元器件进行连接实验，通过导线连接，完成对各种电学原理(比如欧姆定律)的探索研究。但是通过传统的电学实验方法连接的电路，连接完毕后，导线比较凌乱，外观看上去与教材中所绘电路相去甚远，不仅增加了学生连接电路的难度，也不利于学生对电路的理解，虽然如此对学生分析问题的能力有所提升，但是杂乱的电路容易给学生造成错误的总结，不易掌握实际电学原理，需要学生反复连接验证，也能懵懵懂懂的理解实验原理，效率低，效果也差。

为解决以上问题，中国专利文献CN109192019A公开了一种《DIS百变电路实验系统》，包括电路模块；电路模块上设置连接端口，连接端口之间设置电子元器件或电路；相邻电路模块之间通过磁性拼接在一起，并通过导电胶带作为连接线粘接在相邻电路模块的连接端口，形成完整实验电路。所述电路模块包括外壳和电路板，外壳侧面设置有磁铁，电路板固定在外壳内，电路板上设置连接端口，连接端口之间设置电子元器件或电路。

上述系统虽然解决了现有实验电路连接存在的多样性、连接凌乱及不方便等问题，但是相邻电路模块之间是通过导电胶带作为连接线粘接在相邻电路模块的连接端口。这样，一方面需要学生在实验过程中不断根据实际电路的长短对导电胶带进行剪裁，降低实验效率，而且导电胶带在反复使用几次后，出现不黏连的情况，不可再实现模块连接，需要使用新胶带进行替代，浪费资源，而且一旦导电胶带丢失或找不到，学生就无法进行实验；另一方面，百变电路只能放置于桌面上进行拼接，在多个小组学生同时进行研究时，老师或学生不易观察到别人研究思路及时给予指导或学习。

发明内容

本发明针对现有实验电路连接存在的多样性、连接凌乱、使用导电胶带不方便及受场地限制等问题，提供一种能够方便的进行各种电路连接实验和演示，并可反复使用的DIS方块电路实验系统。

本发明的DIS方块电路实验系统，采用以下技术方案：

该系统，包括电路模块；电路模块上设置连接端口，连接端口之间设置电子元器件或电路；相邻电路模块之间通过磁性吸合连接并通过弹性接触连接实现电路导通，形成完整电路。

所述弹性接触通过弹簧针实现。

所述电路模块包括外壳、主电路板和导通电路板，外壳上设置有块间连接磁铁和吸板磁铁，主电路板设置在外壳内，主电路板上连接导通电路板，导通电路板上焊有弹簧针，弹簧针凸出外壳侧边。块间连接磁铁用于相邻电路模块之间的吸合连接，吸板磁铁用于将整个电路实验系统通过磁性固定在演示板上(比如现有的带有磁性的白色教学板)。

所述外壳侧面至少设置两处块间连接磁铁，使相互接触的两个外壳可以更稳定地吸附在一起。

所述外壳与主电路板或导通电路板固定连接在一起。

所述连接端口的数量根据电子元器件的引脚数量或电路的输入端和输出端的数量确定。

不设置电子元器件的电路模块，使用内部的导电线路及端口配合各模块电路实现各种实验电路的连线。

所述电路模块分为电源模块、接口模块、电子元器件模块、声光模块、测量模块、开关模块、导线模块和扩展模块。所述电子元器件模块包括可变电阻模块、电阻模块、电位器模块、光敏电阻模块和热敏电阻模块、二极管模块和NPN三极管模块模块。所述声光模块包括电机、继电器和小灯泡。所述测量模块包括电压表模块和电流表模块。所述开关模块包括单向开关模块、双向开关模块。所述导线模块包括直角线模块、T型线模块、直线模块。所述扩展模块包括扩展板模块、扩展板并联模块。

所述电源模块的电路板上设有正负两个连接端口，两个连接端口之间设置可充电锂电池，外壳侧面设有充电口。

所述接口模块的电路板上设置有两个插座，用于外接电源或传感器。

所述测量模块中电压表模块的电路板上设有两个连接端口并设置充电口，两个连接端口之间设置电压测量电路。电压表模块由三块电路板卡组成，为主板卡、USB板卡和开关板卡。主板卡包括主控电路、显示屏电路、电源管理电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路、USB板卡接口电路、开关板卡接口电路、USB板卡电路和开关板卡电路，显示屏电路、电源管理电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路均与主控电路相连；电源管理电路为主控电路、显示屏电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路提供电源。信号调理电路将电压信号整理后传输至主控电路；电压基准电路为信号调理电路提供基准电压；USB板卡接口电路将USB板卡电路与电源管理电路、主控电路连接在一起；开关板卡接口电路将开关板卡电路与电源管理电路连接在一起。使用电压表模块和电流表模块代替传统的电压表和电流表，以获得更高的精度，并能通过蓝牙无线传输数据到手机、平板等移动设备。

所述测量模块中电流表模块的电路板上设有两个连接端口并设置充电口，两个连接端口之间设置电流测量电路。所述电流测量电路与电压测量电路构成基本相同，只是通过放大电路(采用运算放大器)将电流信号进行调理，调理后的电流信号传输至主控电路。

本发明通过磁力使实验中用到的各种电路模块连接在一起，相邻电路模块通过弹簧针弹性接触方式实现电路的导通，形成完整实验电路，方便快捷，整齐有序，通过可吸附在磁性平面上的特性实现了教学的方便性。本发明不再依赖导电胶带进行线路连接，任何模块可随意直接拼接即可完成线路连接，不易脱落，简单易用。

附图说明

图1是本发明方块电路系统的结构分解示意图。

图2是本发明中的电源模块示意图。

图3是本发明中的接口模块示意图。

图4是本发明中的电阻1KΩ模块示意图。

图5是本发明中的可变电阻10KΩ模块示意图。

图6是本发明中的可变电阻100KΩ模块示意图。

图7是本发明中的电位器1KΩ模块示意图。

图8是本发明中的电位器10KΩ模块示意图。

图9是本发明中的光敏电阻模块示意图。

图10是本发明中的热敏电阻模块示意图。

图11是本发明中的二极管模块示意图。

图12是本发明中的NPN三极管模块示意图。

图13是本发明中的电机模块示意图。

图14是本发明中的继电器模块示意图。

图15是本发明中的小灯泡模块示意图。

图16是本发明中的电压表模块示意图。

图17是本发明中的电流表模块示意图。

图18是本发明中的单向开关模块示意图。

图19是本发明中的双向开关模块示意图。

图20是本发明中的角线模块示意图。

图21是本发明中的T型线模块示意图。

图22是本发明中的直线模块示意图。

图23是本发明中的扩展板模块示意图。

图24是本发明中的扩展板并联模块示意图。

图25是电压表模块的主控电路原理图。

图26是电压表模块的显示电路原理图。

图27是电压表模块的电源管理电路原理图。

图28是电压表模块的数据存储电路原理图。

图29是电压表模块的无线通信电路原理图。

图30是电压表模块的电压基准电路原理图。

图31是电压表模块的信号调理电路原理图。

图32是电压表模块的USB板卡接口电路原理图。

图33是开关板卡接口电路原理图。

图34是电压表模块的USB板卡电路原理图。

图35是开关板卡电路原理图。

图36是电流表模块的主控电路原理图。

图37电流表模块的信号调理电路原理图。

图38是实施例1的电路组成示意图。

图39是实施例2的电路组成示意图。

图40是实施例3的电路组成示意图。

图41是实施例4的电路组成示意图。

其中：1.主电路板，2.导通电路板，3.吸板磁铁，4.块间连接磁铁，5.螺钉，6.外壳，7.弹簧针，8.吸板磁铁槽，9.块间连接磁铁槽，10.固定槽，11.小孔。

具体实施方式

本发明的方块电路系统包括图1所示的电路模块。电路模块上设置连接端口，连接端口之间设置电子元器件或电路；相邻电路模块之间通过磁性吸合连接在一起，并通过弹簧针(POGO针)弹性接触实现电路导通，形成完整的实验电路，具体连接方式可参见后叙的实施例。

电路模块的具体结构如图1所示，包括外壳6、主电路板1和导通电路板2。外壳6内侧四角处设有吸板磁铁槽8，吸板磁铁槽8内竖向放置吸板磁铁3，使整个电路模块可吸附在带有磁性的平面上，比如带有磁性的白色教学板，实现了实验和教学演示的方便性。外壳6的四周每个侧面上设置2处块间连接磁铁槽9，块间连接磁铁槽9内水平放置块间连接磁铁4，以使相互接触的两个电路模块通过外壳可以吸附在一起。

外壳6内设置固定槽10，主电路板1平覆在外壳顶面，根据不同的用途在主电路板1的侧面设有2-4个导通电路板2，主电路板1与导通电路板2焊接在一起，然后插入到外壳6内设置的固定槽10内。导通电路板2上焊有弹簧针7，安装到位后弹簧针7应凸出外壳6的侧边。外壳6的侧面上设置有用于与导通电路板2连接的小孔11，当导通电路板2与外壳6安装到位后，通过拧入小孔11的螺钉5将外壳6导通电路板2连接固定在一起。

根据电路模块中主电路板1上的电路或元器件可将电路模块分为电源模块、接口模块、电子元器件模块、声光模块、测量模块、开关模块、导线模块和扩展模块。所述电子元器件模块包括可变电阻模块、电位器模块、光敏电阻模块和热敏电阻模块、二极管模块和NPN三极管模块模块。所述声光模块包括电机、继电器和小灯泡。所述测量模块包括电压表模块和电流表模块。所述开关模块包括单向开关模块、双向开关模块。所述导线模块包括直角线模块、T型线模块和直线模块。所述扩展模块包括扩展板模块和扩展板并联模块。可变电阻模块包括10kΩ和100kΩ两种规格。电位器包括1kΩ、10kΩ两种规格。相应电路模块的电路板结构如图2至图37所示。

如图2所示，电源模块的电路板上设有正负两个连接端口，两个连接端口之间为可充电锂电池，可输出5V电压，侧面设有MicroUSB充电口。

如图3所示，接口模块的电路板上焊接有两个红黑色区分的香蕉插座，可外接电源或传感器。

如图4所示，电阻模块的电路板上焊接一个色环电阻，设有2个连接端口，两个端口间为电阻1KΩ。

如图5和图6所示，可变电阻模块的电路板上焊接可变电阻器，并设有两个连接端口，两个连接端口间为可变电阻器。通过旋转电位器旋钮，可以改变电阻值，有10KΩ、100KΩ两档阻值。

如图7和图8所示，电位器模块的电路板上焊接可变电阻器，并设有两个连接端口，两个连接端口间为可变电阻器。通过旋转电位器旋钮，可以改变中间端口与两边端口的电阻值，有1KΩ、10KΩ两种阻值范围。

如图9所示，光敏电阻模块的电路板上焊接一个光敏电阻，设有2个连接端口，两个端口间为光敏电阻。

如图10所示，热敏电阻模块的电路板上焊接一个热敏电阻，设有2个连接端口，两个端口间为热敏电阻。

如图11所示，二极管模块的电路板上焊接一个二极管，设有2个连接端口，两个端口间为二极管。

如图12所示，NPN三极管模块的电路板上焊接NPN型三极管，设有3个端口，3个端口分别对应NPN型三极管的B、C、E引脚。

如图13所示，电机模块的电路板上焊接电机，设置有两个连接端口，接入电源时电机转动。

如图14所示，继电器模块的电路板上焊接继电器，设有4个连接端口，左边和下边的端口为控制端口，接入5V电源，上边和右边的两个端口会连通。

如图15所示，小灯泡模块的电路板上焊接一个小灯泡，设有2个连接端口，两个连接端口间为小灯泡。

如图16所示，电压表模块的电路板上焊接由主控电路、充电电路、电源电路、放大电路、基准电源、蓝牙模块和显示电路组成的电路，设有两个连接端口，侧边设有MicroUSB充电口和二维码按键。量程为±10V，分辨力为0.1V。使用内部锂电池供电，可通过侧边的MicroUSB口充电。表面设置有开关机键(设置在电源电路上)，短按开机，长按关机。在开机状态下，按下二维码按键，可在显示屏上显示二维码，通过手机APP：LD Lab扫码，建立蓝牙无线连接，手机APP可以显示电压数据。

如图17所示，电流表模块的电路板上焊接由主控电路、充电电路、电源电路、放大电路、基准电源、蓝牙模块和显示电路组成的电路，设有两个连接端口，侧边设有MicroUSB充电口和二维码按键。使用内部锂电池供电，可通过侧边的MicroUSB口充电。表面设置有开关机键(在电源电路上)，短按开机，长按关机。在开机状态下，按下二维码按键，可在显示屏上显示二维码，通过手机APP：LD Lab扫码，建立蓝牙无线连接，手机APP可以显示电流数据。

如图18所示，单向开关模块的电路板上焊接一个单向开关，设有两个连接端口，两个连接端口间为单向开关。设有2个端口，两个端口间为一个拨动开关，功能为单刀单掷开关。

双向开关模块如图19所示，电路板上焊接一个双向开关，设有三个连接端口，三个端口连接一个单刀双掷开关。

如图20所示，角线模块的电路板上不焊接具体元器件，设置两个连接端口，形状为直角，与其余模块配合起连接作用。

如图21所示，T型线模块的电路板上不焊接具体元器件，设置三个连接端口，形状为T型，与其余模块配合起连接作用。

如图22所示，直线模块的电路板上不焊接具体元器件，设置两个连接端口，形状为直线，与其它模块配合起连接作用。

如图23所示，扩展板模块的电路板上焊接一个总线座，设置两个连接端口，可将需要扩展的电路板插接在总线座上。

如24所示，扩展板并联模块的电路板上焊接两个以并联方式连接的总线座，设置两个连接端口，可将需要扩展的电路板插接在总线座上。

电压表模块电路由三块电路板卡组成，为主板卡、USB板卡、开关板卡。主板卡包括主控电路、显示屏电路、电源管理电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路、USB板卡接口电路、开关板卡接口电路、USB板卡电路、开关板卡电路。显示屏电路、电源管理电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路均与主控电路相连。电源管理电路为主控电路、显示屏电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路提供电源。信号调理电路将电压信号整理后传输至主控电路。电压基准电路为信号调理电路提供基准电压。USB板卡接口电路将USB板卡电路与电源管理电路、主控电路连接在一起。开关板卡接口电路将开关板卡电路与电源管理电路连接在一起。

电压表模块的主控电路如图25所示，由单片机U3(STM32F103C8T6)及外围电路组成，J1接口为下载接口，C13为复位电容，C4、C5为单片机电源滤波电容。单片机U1的第18、19、20、39、40、41、42、43、45、46、21、22、29脚连接至显示屏电路，控制液晶屏LCD1的显示。单片机U1的30和31脚为串口通信接口，连接至蓝牙模块U2的第2和4脚。按键K1连接至单片机U3的第25脚，按下此按键，单片机会控制显示屏显示二维码。电阻R14、R15对锂电池电压进行分压后连接至单片机U3的第11脚，用来检测锂电池的电量。

电压表模块的显示电路如图26所示，由显示屏LCD1及外围电路组成。显示屏LCD1的第7-19脚连接至主控电路的单片机U3。单片机U3控制由三极管Q2和电阻R12、R13组成的电路通断的占空比来调节显示屏的背光亮暗。

电压表模块的电源管理电路如图27所示，由锂电池管理芯片U6(ETA9640)及外围电路和稳压芯片U7(XC6219)及外围芯片构成。锂电池BAT1和电容C17并联，锂电池BAT1的正极连接至锂电池管理芯片U6的第2脚。锂电池管理芯片U6的第1脚连接至USB充电口的正极，电容C18对输入电压进行滤波。功率电感L1一端连接至锂电池BAT1的正极，另一端连接至锂电池管理芯片U6的第4脚。发光二极管D1配合电阻R17连接至理芯片U6的第7脚，用于电量的显示。电阻R16连接至锂电池管理芯片U6的第8脚，用来设定充电电流。锂电池管理芯片U6的第5脚输出5V电压，电容C16对5V电压进行滤波。稳压芯片U7的第1、3脚连接至5V电压。稳压芯片U7的第5脚输出3.3V电压，电容C2对3.3V电压进行滤波。

电压表模块的数据存储电路如图28所示，由存储芯片U1(W25Q64)及外围电路组成。存储芯片U1的第1、2、5、6脚连接至主控电路的单片机U3的SPI接口第14-17脚。电阻R5将存储芯片U1的第1脚上拉至3.3V电压。电容C1对输入电源进行滤波。

电压表模块的无线通信电路如图29所示，由蓝牙模块U2(HM-11)构成。蓝牙模块U2的第2、4脚连接至主控电路的单片机U3的串口。无线通信电路，负责主控电路单片机U3与移动设备无线通信传输数据。

电压表模块的电压基准电路如图30所示，由电压基准芯片U5(REF3012)及电容C8、C7组成。电压基准芯片U5输入3.3V电压，输出1.25V基准电压。1.25V基准电压为主控电路和信号调理电路提供电压基准。

电压表模块的信号调理电路如图31所示，由运算放大器U4(INA333)及外围电阻和电容组成。放大电路将电压信号整理后传输至主控电路单片机U3的ADC引脚(10脚)。

电压表模块的USB板卡接口电路如图32，接口J5与USB板卡电路的J2相连，用来将USB板卡电路与电源管理电路、主控电路连接在一起。J5的第1、2脚为电源管理电路提供电源输出，第3、4脚通过电阻R2、R3连接至主控电路的单片机U3的第33、32脚，为USB通信接口，单片机U3控制场效应管Q1(AO3401)的通断来控制USB通信的通断。

开关板卡接口电路如图33所示，接口J4与开关板卡电路的J4相连，将开关板卡电路与电源管理电路连接在一起。开关板卡接口电路的接口J4的1、2脚连接至电源管理电路的第3脚。

电压表模块的USB板卡电路如图34，USB座J1连接至接口J2为主板卡提供电源和USB通信接口。

开关板卡电路如图35，自锁开关KEY1经接口J1连接至主板卡的电源管理电路。

电流表模块的电路除主控电路和信号调理电路外，其他与电压表电路完全相同。

电流表模块的主控电路如图36所示，与电压表模块相比，不同之处是单片机U3的第13、38、26脚连接至信号调理电路的运算放大器U4(AD8231)的第14-16脚，用来控制运算放大器U4的放大倍数。

电流表模块的信号调理电路如图37所示，由运算放大器U4(AD8231)及外围电阻、电容构成。放大电路将电流信号转换为电压信号，电压信号整理后传输至主控电路单片机U3的ADC引脚(10脚)。

以下给出实验电路连接的实施例。

实施例1

本实施例进行电容的充、放电实验，连接电路如图38所示。包括两个电源模块、双向开关模块、电阻模块(1kΩ)、电压表模块、电流表模块、扩展模块(上面插上电容片)和各种导线模块。各模块通过其上的磁铁相连接，弹簧探针实现电学通信。

打开电流表、电压表电源开关，点击两者屏幕上方的按钮，屏幕上显示二维码。使用平板或手机上的专用软件扫描二维码，识别出电流、电压传感器。点击“开始”记录，拨动双向开关S对电路中的电容充电和放电，点击“停止”，观察充放电过程中，电压和电流波形变化。

取不同容值的电容器，重复上述实验步骤，观察充放电过程中，电压和电流波形变化。

实施例2

本实施例进行欧姆定律实验，连接电路如图39所示。包括两个电源模块、单向开关模块、电位器模块(1kΩ)、电压表、电流表、扩展模块(上面插上电阻片)和各种导线模块。按照图39中所示拼接各个模块，电压表模块和电流表模块显示电阻模块两端的电压和通过的电流，调节电位器的电阻值，电压和电流值相应变化。使用手机或平板LD Lab应用扫描电压表和电流表的二维码，APP上可显示电压和电流值。更换扩展板上电阻片的阻值，继续观察电压表、电流表的数据变化。

实施例3

本实施例进行楼道灯开关实验，连接电路如图40所示。包括电源模块、两个双向开关模块、小灯泡模块和各种导线模块。按照图40所示拼接各个模块，拨动两个双向开关模块，都可以控制小灯泡亮起。

实施例4

本实施例进行光控电路实验，连接电路如图41所示。包括电源模块、单向开关模块、NPN三极管模块、光敏电阻模块、可变电阻模块(100kΩ)、小灯泡模块和各种导线模块。

按照图41中所示拼接各个模块，拨动单向开关模块到“开”，遮挡光敏电阻模块后，小灯泡模块会亮起，放开遮挡，小灯泡模块熄灭。可通过调节可变电阻模块的阻值调节灵敏度。

Claims (10)

1.一种DIS方块电路实验系统，包括电路模块；其特征是：电路模块上设置连接端口，连接端口之间设置电子元器件或电路；相邻电路模块之间通过磁性吸合连接并通过弹性接触连接实现电路导通，形成完整电路。

2.根据权利要求1所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述弹性接触通过弹簧针实现。

3.根据权利要求1所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述电路模块包括外壳、主电路板和导通电路板，外壳上设置有块间连接磁铁和吸板磁铁，主电路板设置在外壳内，主电路板上连接导通电路板，导通电路板上焊有弹簧针，弹簧针凸出外壳侧边。

4.根据权利要求1所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述外壳侧面至少设置两处块间连接磁铁。

5.根据权利要求1所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述外壳与主电路板或导通电路板固定连接在一起。

6.根据权利要求1所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述连接端口的数量根据电子元器件的引脚数量或电路的输入端和输出端的数量确定。

7.根据权利要求1所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述电路模块分为电源模块、接口模块、电子元器件模块、声光模块、测量模块、开关模块、导线模块和扩展模块。

8.根据权利要求7所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述电子元器件模块包括可变电阻模块、电位器模块、光敏电阻模块、热敏电阻模块、二极管模块和NPN三极管模块；所述声光模块包括电机模块、继电器模块和小灯泡模块；所述测量模块包括电压表模块和电流表模块；所述开关模块包括单向开关模块和双向开关模块；所述导线模块包括直角线模块、T型线模块和直线模块；所述扩展模块包括扩展板模块和扩展板并联模块。

9.根据权利要求8所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述测量模块中电压表模块的电路板上设有两个连接端口并设置充电口，两个连接端口之间设置电压测量电路；电压表模块由主板卡、USB板卡和开关板卡三块电路板卡组成，主板卡包括主控电路、显示屏电路、电源管理电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路、USB板卡接口电路、开关板卡接口电路、USB板卡电路和开关板卡电路，显示屏电路、电源管理电路、数据存储电路、无线通信电路、电压基准电路、信号调理电路均与主控电路相连。

10.根据权利要求8所述的DIS方块电路实验系统，其特征是：所述测量模块中电流表模块的电路板上设有两个连接端口并设置充电口，两个连接端口之间设置电流测量电路。