CN206671464U - 一种面向实验箱的无线信息采集平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向实验箱的无线信息采集平台，包括顺序连接的检测电路、中控设备和保护电路；检测电路进一步包括稳压电路、电阻分压式电压检测电路、差分放大电流检测电路、温度检测电路、稳压管和AD采样电路；中控设备包括顺序连接的信号接收机、中央处理器、信号发射模块和上位机；保护电路包括继电器与实验箱。该平台较全面地采集实验箱的工作状态，具有采集点卡片式、无线化等特点，使采集点具有轻便，可以灵活放置在狭小空间的特性，并采用分布式、多采集点的方式，利用通信协议对合成的状态数据帧进行对比校正，获取可靠消息，而且传感器集成化程度高，成本低。

Description

一种面向实验箱的无线信息采集平台

技术领域

本实用新型属于实验器材领域，具体涉及一种面向实验箱的无线信息采集平台。

背景技术

对实验室仪器进行管理、维护是实验室指导老师的基本职责，但是由于各种因素导致实验仪器损坏十分常见，因此实验室指导老师为了维护设备而花费大量的时间和精力，这不免会影响教学。随着技术的发展和进步，目前市场上已经出现的一些能减少或防止人为性的操作失误等客观可控因素而导致实验仪器损毁的实验设备，但是目前还没能满足现实和市场的需求。

就目前各大高校、中学所使用的实验箱而言，由于使用场景不一，同时存在学生操作不当等问题，这就大大减短实验仪器的使用寿命，增加教学仪器经费的投入。因此发明一种能够监控实验设备是否正常工作，当出现错误操作进行自动保护以及反馈信息给老师、学生的实验箱显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术的不足，而提供一种面向实验箱的无线信息采集平台，该平台可以解决因在实验过程中由于外部因素而产生的过流过压损毁实验仪器的问题，延长实验仪器的使用寿命，同时也降低实验箱的制作成本。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种面向实验箱的无线信息采集平台，包括顺序连接的检测电路、中控设备和保护电路；

所述的检测电路进一步包括稳压电路、电阻分压式电压检测电路、差分放大电流检测电路、温度检测电路、稳压管和AD采样电路，电阻分压式电压检测电路和差分放大电流检测电路分别与AD采样电路连接，稳压管与温度检测电路连接，所述的温度检测电路是基于温度传感器的检测电路；

所述的中控设备，包括顺序连接的信号接收机、中央处理器、信号发射模块和上位机，检测电路的稳压电路、AD采样电路、温度检测电路分别与信号接收机连接；

所述的保护电路，包括继电器与实验箱，实验箱与继电器连接，中控设备的中央处理器与继电器连接，实验箱还分别与检测电路的稳压管和差分放大电路检测电路连接；所述的中央处理器与继电器之间设有NPN三极管、LED指示灯、电阻和二极管，中央处理器与NPN三极管的B极连接；NPN三极管的一个C极与LED指示灯的一端、二极管的一端连接，E极接地；LED指示灯的另一端与第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端、二极管的另一端与继电器连接。

所述的稳压电路，稳压范围为12V~16V。

所述的电阻分压式电压检测电路包括串联的分压电阻1和分压电阻2。

所述的差分放大电路检测电路，包括运算放大器、采样电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，运算放大器的正输入端分别与第二电阻的一端、第三电阻的一端连接，负输入端分别与第四电阻的一端、第五电阻的一端连接，信号输出端分别与第五电阻的另一端、AD采样电路连接；第二电阻的另一端与采样电阻的一端连接；采样电阻的另一端与第四电阻的另一端连接，采样电阻的另一端还接地；第三电阻的另一端接地。

所述的中央处理器为CC2530型处理器。

所述的信号发射模块是基于CP2102芯片的信号发射模块。

所述的中央处理器与信号发射模块之间采用ZigBee通信协议进行通信。

所述的上位机安装在教师讲台，通过异步串口UART作为ZigBee网络与教师计算机的数据通信接口进行数据交互传输，方便教师对整个实验室的实验箱进行监控。

有益效果：本实用新型中的实验箱通过分点监控，利用CC2530处理器经ZigBee通信协议构建短距离通信进行实时传导数据，数据接收后通过CC2530处理器，发送至CP2102芯片的信号发射模块进行处理，然后通过ZigBee通信协议送到上位机进行显示，这样的设计不仅能判断故障所在同时也能进行实时保护，也是传统实验箱未曾尝试的基于ZigBee技术的而制作的实用新型实验箱，该技术不仅有效突破远距离布线难和监控范围小的问题，而且更是ZigBee技术在实验箱上的新应用，拓宽该技术的应用范围，同时体现了新技术对传统的技术的改进，同时由于以ZigBee技术构建的短距离无线数据通信网中支持多个发送端，同时可以减少教师维护实验设备的时间成本以及减小工厂制作成本。

附图说明

图1为本实用新型结构框图示意图；

图2为本实用新型稳压模块和压控模块设计图；

图3为本实用新型基于继电器保护模块设计图；

图4为差分放大电流检测电路图；

图5为ZigBee星状拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步阐述，但不是对本实用新型的限定。

实施例：

如图1、图2所示，一种面向实验箱的无线信息采集平台，包括顺序连接的检测电路、中控设备和保护电路，实验室的供电系统向实验箱供电时，依次经过检测电路、中控设备和保护电路后向实验箱供电；

其中所述的检测电路进一步包括稳压电路、电阻分压式电压检测电路、差分放大电流检测电路、温度检测电路、稳压管和AD采样电路，电阻分压式电压检测电路和差分放大电流检测电路分别与AD采样电路连接，稳压管与温度检测电路连接；所述的稳压电路的稳压范围为12V~16V，

所述的电阻分压式电压检测电路包括串联的分压电阻1和分压电阻2，系统电源的电流经过稳压器时接入分压电阻，由于稳压器稳压范围是12V~16V，且CC2530型中央处理器采用内部1.15V电压基准时的满幅度测量范围不超过1.15V，其中设分压电阻1为10K欧姆，分压电阻2为150K欧姆，在分压电阻1和分压电阻2之间的Vtotal测试点利用AD采样方式测得分压电阻1的电压范围是0.75V~1V（对应总电源输入电压为12V~16V），适合AD输入和测量同时满足芯片性能的指标。

所述的中控设备，包括顺序连接的信号接收机、中央处理器、信号发射模块和上位机，检测电路的稳压电路、AD采样电路、温度检测电路分别与信号接收机连接，所述的温度检测电路是基于温度传感器的检测电路，实验箱中一般拥有稳压管，因此当稳压管出现异常时就会产生大量的热，导致器件损坏或者实验箱中的其他器件异常发烫烧掉，严重时可能发生火灾，通过温度传感器检测到温度过高时便将此数据传送到中控设备中，然后由中控设备中的CC2530芯片控制继电器将电源断开；所述的中央处理器为CC2530型处理器；所述的信号发射模块是基于CP2102芯片的信号发射模块；所述的中央处理器与信号发射模块之间采用ZigBee通信协议进行通信；所述的上位机安装在教师讲台，通过异步串口UART作为ZigBee网络与教师计算机的数据通信接口进行数据交互传输，方便教师对整个实验室的实验箱进行监控。

所述的保护电路，包括继电器与实验箱，实验箱与继电器连接，中控设备的中央处理器与继电器连接，实验箱还分别与检测电路的稳压管和差分放大电路检测电路连接；如图3所示，所述的中央处理器与继电器之间设有NPN三极管、LED指示灯、电阻和二极管，中央处理器与NPN三极管的B极连接；NPN三极管的一个C极与LED指示灯的一端、二极管的一端连接，E极接地；LED指示灯的另一端与第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端、二极管的另一端与继电器连接，当电阻分压式电压检测电路的分压电阻1和分压电阻2之间的Vtotal点检测的电压超过16.5V上限、实验箱的温度高于60摄氏度或者采样电阻采样的电流高于360mA时使用的保护电路；当故障发生时CC2530型中央处理器的P0.7IO口给NPN三极管的基极送入一个高电平，此时三极管导通，从而使与三极管集电极相连LED导通并警报，在此同时继电器中的电磁线圈产生强大的磁力是其内部的单刀双掷开关进行关闭，从而切断电源同时也不影响保护装置的正常工作。当电磁式继电器从吸合状态回到停止吸合的状态时，会产生强大的反向电动势，击穿电路中的器件，所以需要在LED处并联一个反向二极管为反向电动势提供泄放通道进行保护。

如图4所示，所述的差分放大电路检测电路，包括运算放大器、采样电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，运算放大器的正输入端分别与第二电阻的一端、第三电阻的一端连接，负输入端分别与第四电阻的一端、第五电阻的一端连接，信号输出端分别与第五电阻的另一端、AD采样电路连接；第二电阻的另一端与采样电阻的一端连接；采样电阻的另一端与第四电阻的另一端连接，采样电阻的另一端还接地；第三电阻的另一端接地。在该结构中采样电阻采用阻值为1欧姆、耐受功率为2W的功率电阻，具有较小的电阻值、较大的发热承受能力和一定的温飘承受能力，适合串联进入干路中用以进行采样。由于电流较小以及设计成本，本实用新型采用通过把流经小阻值电阻的电流转换成电压的方法进行测量，差分运放使用LM358AM运算放大器可将电阻两端电压转换为对地电压，将对地电压通过CC2530型中央处理器转化成电流。当检测到电流值超过预定的安全值时，中央处理器控制继电器断开电路，以防对后级电路造成损坏。同时由欧姆定理可知，采样电阻两端电压U在数值上等于供电干线的总电流数值，电流单位为mA。当采用图5的拓扑结构接发时可以将放大器设计成差分输入、单端输出的差分放大器，其中R3=R5=30K，R2=R4=10K，设采样电阻两端电压为U、流过的实验箱电流为I，数值上U=I，差分放大器的输出电压为Uo，它们之间的数量关系满足：

Uo = I * R 5 / R 4

已知R5=30K和R4=10k的情况下可得，由于实验室实验箱的电流范围在76mA~300mA左右，若直接在1欧姆的采样电阻上采样则电压为70mV~300mV，电压值比较低，AD采集装置可能会被某些噪声影响，因而将这个范围整体放大3倍到210~900mV，既在AD采集装置满幅度范围内，又有利于测量的精确性。

Claims (8)

1.一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，包括顺序连接的检测电路、中控设备和保护电路；

所述的检测电路进一步包括稳压电路、电阻分压式电压检测电路、差分放大电流检测电路、温度检测电路、稳压管和AD采样电路，电阻分压式电压检测电路和差分放大电流检测电路分别与AD采样电路连接，稳压管与温度检测电路连接，所述的温度检测电路是基于温度传感器的检测电路；

所述的中控设备，包括顺序连接的信号接收机、中央处理器、信号发射模块和上位机，检测电路的稳压电路、AD采样电路、温度检测电路分别与信号接收机连接；

所述的保护电路，包括继电器与实验箱，实验箱与继电器连接，中控设备的中央处理器与继电器连接，实验箱还分别与检测电路的稳压管和差分放大电路检测电路连接；所述的中央处理器与继电器之间设有NPN三极管、LED指示灯、电阻和二极管，中央处理器与NPN三极管的B极连接；NPN三极管的一个C极与LED指示灯的一端、二极管的一端连接，E极接地；LED指示灯的另一端与第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端、二极管的另一端与继电器连接。

2.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的稳压电路，稳压范围为12V~16V。

3.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的电阻分压式电压检测电路包括串联的分压电阻1和分压电阻2。

4.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的差分放大电路检测电路，包括运算放大器、采样电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，运算放大器的正输入端分别与第二电阻的一端、第三电阻的一端连接，负输入端分别与第四电阻的一端、第五电阻的一端连接，信号输出端分别与第五电阻的另一端、AD采样电路连接；第二电阻的另一端与采样电阻的一端连接；采样电阻的另一端与第四电阻的另一端连接，采样电阻的另一端还接地；第三电阻的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的中央处理器为CC2530型处理器。

6.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的信号发射模块是基于CP2102芯片的信号发射模块。

7.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的中央处理器与信号发射模块之间采用ZigBee通信协议进行通信。

8.根据权利要求1所述的一种面向实验箱的无线信息采集平台，其特征在于，所述的上位机安装在教师讲台，通过异步串口UART作为ZigBee网络与教师计算机的数据通信接口进行数据交互传输，方便教师对整个实验室的实验箱进行监控。