CN207637023U - 智能集成化学实验教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型智能集成化学实验教具，包括控制器以及与所述控制器连接的传感组件及执行机构；其中所述执行机构包括：驱动电路，所述驱动电路与所述控制器连接；自动摇摆单元，所述自动摇摆单元通过开关元件与所述驱动电路连接。与现有技术相比，本实用新型具有如下优势：1)本实用新型利用数字技术、声光电一体化和智能化技术，精确测定化学试剂的PH值；2)本实用新型利用数字技术与自动控制技术，对试管内反应试剂摇匀、加热并精确控温；3)本实用新型改善了现有的化学实验方式和教学环境，减少化学实验的危险性，更利于教学的实施。

Description

智能集成化学实验教具

技术领域

本实用新型设计一种基于单片机的智能教具，属于智能控制技术领域，应用于化学教学与实验，特别是一种智能集成化学实验教具。

背景技术

2003年，中华人民共和国教育部颁布《高中物理课程标准(实验稿)》中提出：“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等”。

目前，现代实验手段在物理教学与实验方面已得到应用，而在化学教学上，依然使用酒精灯、试管架等传统的化学实验器材，需要手动摇匀试剂，以PH试纸大致判定PH值。不仅实验流程操作复杂、具有一定程度的危险性，而且化学试剂的加热温度不可控。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种控制方式简单可靠、对化学试剂自动加热与控温的智能集成化学实验教具。

为解决上述技术问题，本实用新型智能集成化学实验教具，包括控制器以及与所述控制器连接的传感组件及执行机构；其中所述执行机构包括：驱动电路，所述驱动电路与所述控制器连接；自动摇摆单元，所述自动摇摆单元通过开关元件与所述驱动电路连接。

优选地，所述自动摇摆单元包括：电机，所述电机通过所述开关元件与所述驱动电路连接；摇臂，所述摇臂通过连接轴套与所述电机连接，在所述摇臂内设有置物的空腔，用以放置试管；加热件，所述加热件设置在所述空腔的底部。

优选地，在所述试管与所述加热件之间设有导热体。

优选地，所述加热件为加热膜。

优选地，所述传感组件包含热电偶及红外测温器；其中所述热电偶设置在所述导热体内，所述红外测温器设置在所述摇臂上。

优选地，所述开关元件由机械开关和整流管并联构成。

优选地，所述机械开关为电子驱动式电磁开关。

优选地，所述电子驱动式电磁开关采用继电器或交流接触器。

优选地，所述驱动电路为电子驱动电路。

优选地，所述控制器包含单片机及外围电路。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优势：

1)本实用新型利用数字技术、声光电一体化和智能化技术，精确测定化学试剂的PH值；

2)本实用新型利用数字技术与自动控制技术，对试管内反应试剂摇匀、加热并精确控温；

3)本实用新型改善了现有的化学实验方式和教学环境，减少化学实验的危险性，更利于教学的实施。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本实用新型智能集成化学实验教具原理图；

图2为本实用新型智能集成化学实验教具控制原理图一；

图3为本实用新型智能集成化学实验教具控制原理图二；

图4为本实用新型智能集成化学实验教具自动摇摆单元结构示意图。

图中：

1-电机 2-摇臂 3-试管

4-加热膜 5-导热体 6-热电偶

7-红外测温器 8-机械开关 9-整流管

10-连接轴套

具体实施方式

下面对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。以下结合附图对本实用新型做出进一步的说明。

如图1～图4所示，本实用新型智能集成化学实验教具按系统组成划分，包括传感组件(数据信息采集系统)、控制器(控制与存储系统)和执行机构三个部分。

控制器根据RFID射频指令或手动指令驱动低速直流电机1正反向运行以摆动摇臂2，并根据红外传感器对摇臂2进行精确定位。电加热膜4、导热体5和温度传感器构成加热控制系统，并在异常情况下发出报警信号。

传感组件(数据信息采集系统)主要对PH值、压强、温度等非电信号进行采集，通过高阻抗运算放大器调理输出形成模拟电压信号，再通过AD转换器形成数字量进行加工处理。

自动摇摆单元的摇臂2以直流低速电机1经由连接轴套10驱动，通过两个直流继电器进行正反向驱动，同时可采取调整PWM占空比的方式对电机进行速度控制，实现试管3的加热、温控、摇摆、PH值检测、压强检测等功能。

系统根据三个红外传感器进行精确定位以控制电机1转向，通过停止延时再换向运转的柔性控制以减轻瞬态反向力矩的影响。当摇臂2现出非预期状况时，接收到红外传感器的反馈信号后，控制器发出指令停机，防止摇臂2失控发生试管倒置的危险。如果红外传感器发生故障，系统将会根据最大摇摆时间进行报警并作出处理。

热电偶6用于检测试管3内试剂的加热温度，在加热膜4和试管3之间填充导热体5，热电偶6置于导热体5中并贴近试管3，导热体5用于均匀扩散温度，以实现电加热试管3的目的，摇臂2内层贴有绝缘耐热材料(图中未示出)，红外测温器7监测试剂实时温度。

加热时，首先接通功率继电器启动加热回路，底层加热膜4温度开始上升，直到阈值+回差后关闭加热器，在下降到阈值-回差后重新启动加热，试管加热温度在控制上下限之间波动，方式简单，可满足化学教学实验所需。

加热与摇摆动作完成后，可测量液体PH值和压强等数据，PH电极和压强传感器按照使用规范流程进行操作即可。本实用新型可通过手动，RFID射频或通信等方式形成输入，以驱动摇臂机构运行。

控制电路、机械开关驱动电路和开关元件之间的相互作用，机械开关驱动电路和开关元件构成执行机构。控制电路用于控制执行机构。

控制器以单片机为核心控制元件，按设定的程序对采样信号与设定的阈值进行比较，采样信号不小于设定的阈值时则向机械开关驱动电路发出处理信号；开关元件由机械开关8和整流管9并联构成，机械开关8采用公知的电子驱动式电磁开关，可以是继电器或交流接触器；机械开关驱动电路采用公知的电子驱动电路，用于控制机械开关8的闭合或分断。

机械开关8闭合状态的电压降很小，因此，设定的阈值通常为几毫伏至几十毫伏。

系统需要投入电容时，控制电路接收到系统的投切指令，从开关元件进行采样，获得采样信号，采样信号通常为电压信号。控制电路对采样信号进行比较，整流管9正向偏压时则输出处理信号，该处理信号可以是电压信号和/或电流信号。机械开关驱动电路接收到来自控制电路的处理信号，转换为驱动信号，该驱动信号通常为电流信号。开关元件从机械开关驱动电路接收驱动信号，机械开关8闭合。机械开关驱动电路持续输出驱动信号，机械开关8保持接通状态。因整流管处于正向偏压而导通，机械开关8闭合时，其触点间电压不超过1.5V，不会产生电弧。

系统需要切除电容时，控制电路接收到系统的投切指令，控制电路对整流管9的两端电压进行采样，该采样信号是机械开关8的接触压降，整流管9呈现正向偏压时则输出处理信号，该处理信号可以是电压信号和/或电流信号。机械开关驱动电路接收到来自控制电路的处理信号，断开驱动信号，机械开关8分断。因整流管处于正向偏压，机械开关8分断时，整流管导通，使机械开关8触点间电压不超过1.5V，不会产生电弧。

机械开关8和整流管9之间的电连接采用并联关系。机械开关8可以是继电器或交流接触器。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种智能集成化学实验教具，其特征在于，包括控制器以及与所述控制器连接的传感组件及执行机构；其中

所述执行机构包括：

驱动电路，所述驱动电路与所述控制器连接；

自动摇摆单元，所述自动摇摆单元通过开关元件与所述驱动电路连接。

2.根据权利要求1所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述自动摇摆单元包括：

电机，所述电机通过所述开关元件与所述驱动电路连接；

摇臂，所述摇臂通过连接轴套与所述电机连接，在所述摇臂内设有置物的空腔，用以放置试管；

加热件，所述加热件设置在所述空腔的底部。

3.根据权利要求2所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，在所述试管与所述加热件之间设有导热体。

4.根据权利要求2所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述加热件为加热膜。

5.根据权利要求3所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述传感组件包含热电偶及红外测温器；其中

所述热电偶设置在所述导热体内，所述红外测温器设置在所述摇臂上。

6.根据权利要求1或2所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述开关元件由机械开关和整流管并联构成。

7.根据权利要求6所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述机械开关为电子驱动式电磁开关。

8.根据权利要求7所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述电子驱动式电磁开关采用继电器或交流接触器。

9.根据权利要求1所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述驱动电路为电子驱动电路。

10.根据权利要求1所述的智能集成化学实验教具，其特征在于，所述控制器包含单片机及外围电路。