CN212254279U - 托盘天平及托盘天平教学数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种托盘天平，包括底座、横梁支架、横梁、左托盘和右托盘，在横梁上设置有游码，还包括重量采集单元；游码采集单元；信号传输单元，信号传输单元具有单片机和无线发射模块；其中，重量采集单元用于采集左、右托盘上物体的重量信息并发送至信号传输单元，游码采集单元用于采集游码的位置信息，信号传输单元包括单片机，单片机接收重量采集单元和游码采集单元的数据信号，单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机。本实用新型优点在于通过采集系统，能够实时采集记录实验教学中学生对托盘天平的使用状态和学生的实验动作，并对采集的数据进行后期分析，对每个学生的实验操作过程进行考评。

Description

托盘天平及托盘天平教学数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及教学仪器，尤其是涉及一种托盘天平，本实用新型还涉及一种托盘天平教学数据采集系统。

背景技术

物理、化学、生物是以实验为基础的课程,实验教学对学生理解能力、理论掌握能力以及实验能力的培养有着重要的意义。物理、化学、生物实验教学的目标包括认知和操作两个领域,在认知领域方面的教学问题研究较多,而实验操作技能领域方面的研究比较少。实验教学考查的目标就是对操作技能和教学结果进行检查,发现问题,不断改进,达到进一步提高教学质量的目的。

托盘天平是中学物理、化学，小学科学实验中常用的实验仪器，当采用传统教学实验仪器进行实验教学时，由于学生多，教师少，教师只能通过观察个别学生的操作过程和结果来判断学生实验操作动作、过程的掌握情况，不能够实现对单个学生的整个实验操作过程进行完整的观察、指导和判断，更不能对所有学生的学习情况做出准确的评判。学生是否能够掌握操作技能、理解学科知识并进行实践应用，是需要对整个实验操作过程的步骤是否科学，动作是否规范进行标准化考评，结合正确的实验结果，才能做出准确的判断。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种托盘天平，本实用新型还提供一种托盘天平教学数据采集系统。

为实现上述目的，本实用新型可采取下述技术方案：

本实用新型所述的托盘天平，包括底座、横梁支架、横梁和设置在所述横梁两端的左托盘和右托盘，在所述横梁上设置有游码，还包括采集系统，所述采集系统包括：

重量采集单元；

游码采集单元；

信号传输单元，所述信号传输单元具有单片机和无线发射模块；

供电单元，所述供电单元与采集系统电性连接，用于为采集系统的工作供电；

其中，所述重量采集单元用于采集所述左托盘和右托盘上物体的重量信息并发送至信号传输单元，所述游码采集单元用于采集所述游码的位置信息并发送至信号传输单元，所述信号传输单元包括单片机，所述单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收重量采集单元和游码采集单元的数据信号，单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机。

优选的，本装置还包括：

调平采集单元；

所述调平采集单元用于采集天平的调平状态信息并发送至所述信号传输单元，所述调平采集单元为至少一个角度传感器，所述角度传感器设置在所述横梁端部。

优选的，所述重量采集单元为压力传感器，所述压力传感器设置在所述底座和横梁之间。

优选的，所述压力传感器为薄膜压力传感器。

优选的，所述游码采集单元为微距激光测距仪，所述微距激光测距仪设置在所述横梁一端。

一种托盘天平教学数据采集系统，包括：

数据分析单元，所述数据分析单元包括上位机、无线接收模块和储存模块；

数据采集单元，所述数据采集单元包括多个所述托盘天平；

其中，多个所述托盘天平的数据信息分别无线传输至所述无线接收模块，所述无线接收模块将数据信息发送至所述上位机，所述上位机将数据信息分析处理后发送至所述存储模块储存。

优选的，还包括显示屏，所述显示屏用于调取并显示所述上位机存储的实验数据。

本实用新型优点在于通过采集系统，能够实时采集记录实验教学中学生对托盘天平的使用状态和学生的实验动作，并对采集的数据进行后期分析，对每个学生的实验操作过程进行考评。同时，能够将多个学生在日常实验操作过程中反映出来的问题进行大数据分析，根据分析结果判断班级、学校甚至整个地区的学生对化学实验操作技能掌握情况和教学结果的评价，找出普遍问题及薄弱环节，从而对教学方法进行改进和提升，进一步提高教学质量。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1的电路原理框图。

图3是本实用新型实施例2的电路原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B为例”，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例1：

如图1、2所示，本实用新型所述的托盘天平，包括底座10、横梁支架20、横梁30和设置在横梁30两端的左托盘40和右托盘50，在横梁30上设置有游码60，还包括采集系统70，采集系统70包括：

调平采集单元；

重量采集单元；

游码采集单元；

信号传输单元710，信号传输单元710具有单片机和无线发射模块；

供电单元，供电单元与采集系统70电性连接，用于为采集系统70的工作供电；

其中，调平采集单元用于采集天平的调平状态信息并发送至信号传输单元710，重量采集单元用于采集左托盘40和右托盘50上物体的重量信息并发送至信号传输单元710，游码采集单元用于采集游码60的位置信息并发送至信号传输单元710，信号传输单元710的单片机（型号：STM32F103），单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收调平采集单元、重量采集单元和游码采集单元的模拟信号；单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机；

调平采集单元为设置在左托盘40和右托盘50位置处的左角度传感器720和右角度传感器730，左角度传感器720和右角度传感器730封装后安装在横梁30两端，左角度传感器720和右角度传感器730感应的零度方向横梁30方向垂直（正负误差0.5度），且安装位置距横梁30中心位置相等,误差不大于正负1mm；左角度传感器720和右角度传感器730安装方向平行度误差不大于（正负0.5度）; 封装后的质量误差不大于正负0.01g；

重量采集单元为薄膜压力传感器740，安装在横梁支架20与底座10之间的中间支撑位置，薄膜压力传感器740安装后记录横梁支架20给予的初始压力F0，实验时，薄膜压力传感器740记录压力数据F,F与F0 的差值即为物体对底座10产生的压力；

游码采集单元为微距激光测距仪750，以螺丝方式安装于天平底座10上，位于天平标尺80的零位一侧，安装时微距激光测距仪750测距方向与标尺80方向平行，且使激光能够不受阻碍的照射在游码60之上；

信号传输单元710和供电单元用塑料盒封装，之后用螺丝固定在底座10内，左角度传感器720、右角度传感器730、薄膜压力传感器740和微距激光测距仪750的导线分别从合适的位置穿过底座10，与信号传输单元710相连；

具体的，左角度传感器720和右角度传感器730的导线分别从下方的孔延伸至底座10内，在薄膜压力传感器740下方的底座10上开孔，导线从孔内延伸进底座10内，在微距激光测距仪750下方的底座10上开孔，导线从孔内延伸进底座10内；其中，左角度传感器720和右角度传感器730的导线处于松弛状态，不会影响称量精度。

实验操作步骤1：学生调节左平衡螺母90和右平衡螺母91，使托盘天平调平。通过评测托盘天平是否调平，判断学生是否已经掌握托盘天平调平的操作技能；评价学生是否理解杠杆原理、力矩与力臂的关系等相关知识。

数据采集工作原理为，当学生通过调节左平衡螺母90和右平衡螺母91，使托盘天平调平动作完成后，此时，左角度传感器720和右角度传感器730将采集到的角度数据(β1,β2)通过信号传输单元710传输至上位机，由分析系统对数据进行分析；当角度数据(β1,β2)同为正负5度之间时，确认托盘天平为调平状态，可判断学生的调平动作为正确，当角度数据β1,β2其中一个数据超过正负5度时，确认托盘天平为未调平状态，可判断学生的调平动作为错误。

实验操作步骤2：学生通过放置砝码和操作游码60的方式，使指针再次指到分度盘的中央刻度线，准确称出物体的质量，判断学生是否已经掌握托盘天平称重的操作技能；评价学生是否理解杠杆原理、力矩与力臂的关系等相关知识。

数据采集工作原理为，当学生操作完成后：

1、柔性薄膜压力传感器740采集的数据通过信号传输单元710发送到上位机，采集的数值通过分析系统对数据进行分析和转换，计算出托盘天平两个托盘中砝码和称量物体的总质量(M1)及1/2质量(M2)；

2、微距激光测距仪750测量的游码60到测距仪的距离值（S）通过信号传输单元710传输到上位机。通过分析系统对S值进行分析计算，得出游码60的读数（M3）；

3、分析系统将M2和M3相加，计算出称量物体的质量值（M4）；

4、分析系统将M4与学生填写的质量值（M5）做对比，当M4=M5时判断学生读数正确，当M4≠M5时判断学生读数错误。

实施例2：

如图3所示，本实用新型所述的托盘天平教学数据采集系统，包括：

数据分析单元1，数据分析单元1包括上位机、无线接收模块和储存模块；

数据采集单元2，数据采集单元2包括多个托盘天平；

显示屏，显示屏用于调取并显示上位机存储的实验数据；

其中，多个托盘天平的数据信息分别无线传输至无线接收模块，无线接收模块将数据信息发送至上位机，上位机将数据信息分析处理后发送至存储模块储存，显示屏用于调取并显示所述上位机存储的实验数据。

上位机在接收到多个托盘天平的数据信息后，按照实验要求设计的专业数据分析软件，通过标准化算法对采集到的数据进行计算分析，判断学生在实验过程的操作动作的动作是否规范、顺序是否正确，是否能够真正掌握、理解学科知识并进行实践应用。考评结论能够通过显示屏实时向教师和学生反馈，使学生能及时纠正错误，或在教师的指导下能够有针对性的进行补充学习。多个学生在日常实验操作过程中反映出来的问题可以通过本系统进行大数据分析，根据分析结果判断班级、学校甚至整个地区的学生对化学实验操作技能掌握情况和教学结果的评价，找出普遍问题及薄弱环节，从而对教学方法进行改进和提升，进一步提高教学质量。

其分析原理为：

1、上位机收到每个托盘天平的角度数据(β1,β2)后，由分析系统对数据进行分析；当角度数据(β1,β2)同为正负5度之间时，确认托盘天平为调平状态，可判断此学生的调平动作为正确，当角度数据β1,β2其中一个数据超过正负5度时，确认托盘天平为未调平状态，可判断此学生的调平动作为错误。

2、（a）上位机收到每个托盘天平的压力数值后，通过分析系统对数据进行分析和转换，计算出此托盘天平两个托盘中砝码和称量物体的总质量(M1)及1/2质量(M2)；（b）上位机收到每个托盘天平的距离值（S），通过分析系统对S值进行分析计算，得出游码60的读数（M3）；(c)分析系统将M2和M3相加，计算出称量物体的质量值（M4）；(d)分析系统将M4与此学生填写的质量值（M5）做对比，当M4=M5时判断此学生读数正确，当M4≠M5时判断学生读数错误。

Claims (7)

1.一种托盘天平，包括底座、横梁支架、横梁和设置在所述横梁两端的左托盘和右托盘，在所述横梁上设置有游码，其特征是，还包括采集系统，所述采集系统包括：

重量采集单元；

游码采集单元；

信号传输单元；

供电单元，所述供电单元与采集系统电性连接，用于为采集系统的工作供电；

其中，所述重量采集单元用于采集所述左托盘和右托盘上物体的重量信息并发送至信号传输单元，所述游码采集单元用于采集所述游码的位置信息并发送至信号传输单元，所述信号传输单元包括单片机，所述单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收重量采集单元和游码采集单元的数据信号，单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机。

2.根据权利要求1所述的托盘天平，其特征是，还包括调平采集单元，所述调平采集单元用于采集天平的调平状态信息并发送至所述信号传输单元，所述调平采集单元为至少一个角度传感器，所述角度传感器设置在所述横梁端部。

3.根据权利要求1所述的托盘天平，其特征是，所述重量采集单元为压力传感器，所述压力传感器设置在所述底座和横梁之间。

4.根据权利要求3所述的托盘天平，其中，所述压力传感器为薄膜压力传感器。

5.根据权利要求1所述的托盘天平，其特征是，所述游码采集单元为微距激光测距仪，所述微距激光测距仪设置在所述横梁一端。

6.一种托盘天平教学数据采集系统，其特征是，包括：

数据分析单元，所述数据分析单元包括上位机、无线接收模块和储存模块；

数据采集单元，所述数据采集单元包括多个所述托盘天平；

其中，多个所述托盘天平的数据信息分别无线传输至所述无线接收模块，所述无线接收模块将数据信息发送至所述上位机，所述上位机将数据信息分析处理后发送至所述存储模块储存。

7.根据权利要求6所述的托盘天平教学数据采集系统，其特征是：还包括显示屏，所述显示屏用于调取并显示所述上位机存储的实验数据。

Images