CN2651825Y - 一种计算机控制的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种带有计算机控制的实验装置，包括连接到相应实验设备上的传感器及其信号整形电路、数据采集电路及数字分析电路；传感器及信号整形电路的输出端与数据采集电路电连接；数据采集电路的输出端通过USB通信控制电路、串行口电平转换电路与计算机系统连接，同时和数据储存器相互连接。本装置通过将传感器技术、数据采集技术、应用软件技术整合起来应用到综合理化实验教学上，完成实验对象的测量、实验数据处理和分析、得到实验结果并综合文字叙述、数学公式、函数图表三种基本方法。

Description

一种计算机控制的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，特别涉及到一种计算机控制的实验装置，属于教学实验仪器领域。

背景技术

目前，中学理化实验还基本上停留在传统时代，现有的实验技术，主要是用传统的技术进行理科实验，如用弹簧称做力学实验，用电压表和电流表做电学实验，用眼睛读出实验结果，然后用纸和笔进行实验数据的记录，画图分析实验结果；从以上情况分析，传统方式只能在单一学科进行实验，并对微小及瞬间变化的信号无法进行观察，因此对于动态的信息变化不能进行有效的分析。近年来随着教育改革的深入，特别是素质教育的落实，各地教育工作者不断探索旨在提高学生动手能力，探究和解决问题能力的新途径，对实验仪器也提出了新的更高的要求，要求实验操作性更强、测量更精确，而更为重要的是可设计性的提高以及理、化、生和数学的融会贯通。

由此可见，上述现有的实验装置仍存在有诸多的缺陷，需加以进一步改进。

为了解决现有的实验装置存在的缺陷，许多厂家都在寻求解决的方法，但一直未见适用的设计被发展完成，针对这一目前在教学实验领域存在的问题，本实用新型提供了一种带有计算机控制的实验装置。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种引进现代科技中的计算机实时测量装置，利用电脑作为实验终端，通过传感器、数据变送器，和常规仪器共同完成对实验对象的测量，对实验数据处理和分析、得到实验结果；并综合文字叙述、数学公式、函数图表三种基本方法，帮助学生观察实验现象，探索原理，总结与理解客观规律，通过不同的传感器的组合能够进行跨学科实验，如用化学传感器和物理传感器的配合使用进行理化综合实验，分析物理量和化学量变化的实验规律满足国家教学改革对实验仪器提出的新的要求。

本实用新型的另一目的在于提供目前已经成熟的计算机实时测量技术，通过传感器检测需要测量的信号并转换成电信号，通过整形处理实时传输给数据采集器，然后通过数据采集器实时传输给计算机，由计算机软件实时显示数据，并对其进行后期的分析处理。

本实用新型的目的是这样实现的：一种带有计算机控制的实验装置，至少包括连接到相应实验设备上的传感器及其信号整形电路、数据采集电路及数字分析电路；传感器及信号整形电路的输出端与数据采集电路电连接；数据采集电路的输出端通过USB通信控制电路、串行口电平转换电路与计算机系统连接，同时和数据储存器相互连接。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的传感器至少是力传感器、距离传感器、光电门传感器、加速度传感器、声波传感器、热学传感器、电磁学传感器、光学传感器以及化学用PH值传感器；上述传感器的之一或者其组合；该传感器由至少4种不同的小信号放大电路相互连接组成，在其输入内部接有可直接接光电门的上拉电阻。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的热学传感器为温度传感器和/或气体压强传感器。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的电磁学传感器为电压传感器和/或电流传感器和/或磁场强度传感器。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的光学传感器为光强传感器。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的接口部分至少由六根数据线组成；该六根数据线分别连接：数字电平输入信号、接地信号、自动识别传感器的识别数据信号、自动识别传感器时钟输入信号、传感器及处理电路供电电源和模拟信号输入信号。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的数据采集电路，由程控放大电路的输出端连接模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端与程控放大电路及模数转换电路的输入端并联连接。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的程控放大电路由一个741型放大器和一个多路转换器DG211组成；至少支持2倍、5倍、10倍、20倍4种放大倍数。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的模数转换电路采用高速转换芯片0820芯片。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，其中所述的微处理器内设有8K闪存。

前述的一种带有计算机控制的实验装置，所述的计算机系统至少由计算机和设置在计算机系统内部的实验设置电路、数据采集电路、数据分析电路组成，该实验设置电路、数据采集电路、数据分析电路分别通过相应的接口或总线和计算机连接。

前述的带有计算机控制的实验装置，该实验装置还设有电源部分，至少由外置电源、充电、内置电源、升压四部分组成；外置电源采用5V1A的开关电源组成通过插接座给整个系统供电。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述实用新型目的，本实用新型的主要技术内容如下：

该装置将传感器技术、数据采集技术、应用软件技术整合起来应用到综合理化实验教学上，该装置由传感器信号整形部分、数据采集部分、计算机软件部分组成。本系统设计了四个数据采集通道并能并行采集四种实验信号，同时便携式设计使教师能够在课堂上和在实验室均能进行实验。能够以不同形式的通信接口传输命令与接收数据，使得任何传感器信号数据，不论是模拟信号还是数字信号，物理量信号还是化学量信号等均能够方便的输出到数据采集器中。加之独具特色的公式编辑器与丰富的数据拟合算法极大地增强了数据加工与处理功能。

综上所述，本实用新型特殊结构的一种带有计算机控制的实验装置，具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用，且其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在实验用装置的技术方面有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，从而更加适于实用，的确为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为一种带有计算机控制的实验装置的电路框图；

图2为一种带有计算机控制的实验装置系统框图；

图3为一种带有计算机控制的实验装置计算机软件系统实时显示示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

请参阅图1所示，为本实用新型的电路框图；本系统的创新主要体现在将成熟的传感器及数据采集技术应用到理科教学实验，解决理科实验中由传统实验仪器不能解决的问题，本系统由传感器及数据整形部分1、数据采集器部分(2、3、4、5、6、7、8、9、)；计算机软件系统部分(10)；电源部分(11、12、13、14)三部分组成。

其中传感器1至少包括力传感器、距离传感器、光电门传感器、加速度传感器、声波传感器、热学传感器(温度传感器、气体压强传感器)、电磁学传感器(电压传感器、电流传感器、磁场强度传感器)、光学传感器(光强传感器)以及化学用PH值传感器(图中未示)；该传感器由各种不同的小信号放大电路组成，在输入端内部接有上拉电阻，可直接接光电门。

传感器1与数据采集部分通过标准接口2连接，该标准接口2由六根数据线组成，接口的通用性设计保证了采集器的独立性，具体如下

第1线：DIN：数字电平输入线

第2线：GND：接地线

第3线：A-ID Data：自动识别传感器的识别数据线

第4线：A-ID CLD：自动识别传感器时钟输入线

第5线：VCC：直流电源+5V，为传感器及处理电路部分供电

第6线：AIN：模拟信号输入线0-+5V

数据采集部分由程控放大电路4、数字转换电路3、模数转换电路5及微处理器6组成；

程控放大电路4：

模拟信号进入模数转换电路5之前先进行程控放大电路4，由单片机控制信号的放大倍数以此来实现输入信号很小时，分辨率低的问题。由一个741型放大器和一个多路转换器DG211组成，由单片机控制DG211的通路以给741不同阻值的反馈电阻完成对输入信号的不同的放大倍数，目前支持2倍、5倍、10倍、20倍四种不同放大倍数。

模数转换电路5；

采用高速转换芯片0820芯片将0-5v的传感器部分输入的模拟信号转换成数字信号，可以同时转换四个通道的模拟信号，转换完成时通过给单片机的INTO发信号电平通知单片机。

数字转换电路3：

将输入的脉冲信号进行由741v74芯片转换然后由单片机进行脉冲信号的上升沿和下降沿的计时，要求输入信号高电平大于3V，低电平小于1V，在输入端内部接上拉电阻，可直接接光电门。

微处理器6：

是整个采集器的中心，主要是控制数据采集的频率以及对采集的数据的存储和与PC机软件的通信，由一片C52单片机组成，其自带8K闪存，用于存储单片机控制程序，控制程序由C语言编写。

微处理器6通过USB通信控制接口9及串行口电平转换8并行与计算机软件系统10连接。

USB通信控制器9：

USB通信采用标准的USB1.1通信协议，其实现是通过扩展一片USB接口芯片PDIUSBD12来实现，通过C52单片机的控制来实现采集器与PC机之间的数据通信；

串行口电平转换8：

串行通信单元由C52的片内串口单元加电平转换芯片SP3220组成三线全双工RS232电平异步串行口，外加两条PC机的RTS和CTS线，上电复位后，串行口的波特率可调，同时串行口带有防静电端口保护功能保护电平转换芯片的安全。

数据存储7：

与微处理器6相互交换信息，为采集频率很高的数据，需要对采集的数据进行临时存储，本系统采用6264作为数据存储器，由单片机控制对其进行读写操作。

请参阅图1所示，其系统的电源部分由外置电源11、充电电路12、内置电源13、升压14四部分组成，外置电源11采用5V1A的开关电源组成通过插接座给整个系统供电，同时检测内置电源13的电压，如低于饱和电压则通过充电电路12给内部电源充电，内部电源采用大容量充电电池组组成，当没有外置电源11时，由内部电源13为系统供电。

请参阅图2所示，为计算机控制的实验装置系统框图：

该系统主要由实验设备101、数据采集102、数据分析103三部分顺序组成，实验设置101由输入1011及1012组成；数据采集102由数据采集1021及数据显示1022组成；数据分析103由数据拟合1031及数据处理1032组成。

实验设置输入部分1011；选项以向导模式逐步定义实验的名称、通道关系、通信参数与相关实验参数等。

实验设置输入部分1012；选项以特定的文件格式输出与存储，并具有再编辑功能。该文件可单步打开也可以以向导形式多步打开。

数据采集1021；在已有的通信参数与通道关系设定的基础上与系统的采集器进行通信，并将数据回采到缓存中。

数据显示1022；将数据采集过程中获得的缓存中的数据读出并以数据列表、数据图表及模拟仪器的形式动态显示，以反映实验的具体现象。

数据拟合1031；将采集的数据按照某种假定的关系进行线形或非线形数据拟合，用以验证实验数据的相互关系。

数据处理1032；用特定的代数式对原始数据进行转换，从而进行数据的统计等深层分析。

该系统工作过程如下：

本系统由传感器采集各种实验信号，经过整形放大等处理后转变成电压信号并通过标准接口实时输出到数据采集器，数据采集器受计算机软件的控制采集传感器检测到的信号并进行数字化，然后通过串行通信方式或USB通信方式将数据传输给计算机，由计算机软件对实验数据进行数据显示、数据拟合、数据统计、数据存储和打印等。本系统的工作过程由计算机通过通信口传递命令和参数来控制，命令集包括：状态设置、状态读取、过程控制、系统读写命令，由过程控制命令启动和中止测量采集过程。说明如下：

a.初态：单片机上电后首先进行初始化，然后查询USB口和串行口，收到初始化命令后判断其作为通讯口，应答后进入等待状态。

b.待命态：单片机进入待命态，查询通讯口准备接受命令

c.命令接受态：单片机接收到命令帧后，进入命令分析处理过程，整理输入参数。若不能分辨识别收到的命令，则返回PC机错误帧。若命令正确，进入命令处理态。

d.命令处理态：单片机解析命令帧，根据命令的要求进行数据采集，控制采样时间、采样的总数据点数，采集结束后进入数据回送态；

e.数据回送态：单片机采集完数据后要将数据传输给计算机，传输结束后重新进入待命态。之后，进入数据的后期处理阶段，由计算机及软件进行实验数据的后期处理。

请参阅图3所示，在本实用新型中为了更直观的了解实验的各种数据，设置了本实验装置的实时显示部分；

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (12)

1、一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：至少包括连接到相应实验设备上的传感器及其信号整形电路、数据采集电路及数字分析电路；传感器及信号整形电路的输出端与数据采集电路接口电连接；数据采集电路的输出端通过USB通信控制电路、串行口电平转换电路与计算机系统连接，同时和数据储存器相互连接。

2、根据权利要求1所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的传感器至少是力传感器、距离传感器、光电门传感器、加速度传感器、声波传感器、热学传感器、电磁学传感器、光学传感器以及化学用PH值传感器；上述传感器的之一或者其组合；该传感器由至少4种不同的小信号放大电路相互连接组成，在其输入端内部接有可直接接光电门的上拉电阻。

3、根据权利要求2所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的热学传感器为温度传感器和/或气体压强传感器。

4、根据权利要求2所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的电磁学传感器为电压传感器和/或电流传感器和/或磁场强度传感器。

5、根据权利要求2所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的光学传感器为光强传感器。

6、根据权利要求1所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的接口部分至少由六根数据线组成；该六根数据线分别连接：数字电平输入信号、接地信号、自动识别传感器的识别数据信号、自动识别传感器时钟输入信号、传感器及处理电路供电电源和模拟信号输入信号。

7、根据权利要求1所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的数据采集电路，由程控放大电路的输出端连接模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端与程控放大电路及模数转换电路的输入端并联连接。

8、根据权利要求7所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：程控放大电路由一个741型放大器和一个多路转换器DG211组成；至少支持2倍、5倍、10倍、20倍4种放大倍数。

9、根据权利要求7所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的模数转换电路采用高速转换芯片0820芯片。

10、根据权利要求7所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：其中所述的微处理器内设有8K闪存。

11、根据权利要求1所述的一种带有计算机控制的实验装置，其特征在于：所述的计算机系统至少由计算机和设置在计算机系统内部的实验设置电路、数据采集电路、数据分析电路组成，该实验设置电路、数据采集电路、数据分析电路分别通过相应的接口或总线和计算机连接。

12、根据权利要求1-11中的任一权利要求所述的带有计算机控制的实验装置，其特征在于：该实验装置还设有电源部分，至少由外置电源、充电、内置电源、升压四部分组成；外置电源采用5V1A的开关电源组成通过插接座给整个系统供电。

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