CN2840171Y - 实验教具 - Google Patents

Abstract

实验教具。在传感器的输出端与采集器的输入端之间设置智能处理器。智能处理器由A/D转换器、MCU数字信号处理器和D/A转换器三部分组成。MCU数字信号处理器由电源信号处理器和MCU数字信号微处理器构成，其输入端上还连接有串口电平转换器使其通讯电平与计算机串口电平一致，通过采集器与计算机连接。A/D转换器与传感器的连接采用多路接口。传感器信号通过A/D模数变换将模拟信号变为数字量，经MCU数学运算处理后再经由D/A数模变换变为模拟信号传输至采集器，采集器进行连续采样。采用此设计生产、调校实验教具非常方便，只需将校正参数输入MCU即可。所有标定在MCU中进行，各传感器之间互不干扰。

Description

实验教具

一、所属技术领域

本实用新型涉及一种利用传感器采集信号，由采集器输出信号的物理、化学、生物学校教学用现场操作演示仪器，具体是实验教具。

二、背景技术

目前国内外的“实验教具”均采用模拟线路处理方式将信号处理后直接输出至采集器，由采集器连续采样。即传感器收集信号后送到变送器，由变送器将信号放大后送到采集器。其系统由各种传感器、变送器和采集器三部分组成，即：传感器→变送器→采集器。采集器最高采集速度为5ms，可同时接多个传感器。而正是由于采样速度最高为5ms，变送器与采集器之间的传输不能采用RS232的传输方式。所有的标定必须在传感器最终连接到的采集器上进行，如果在其他采集器上标定将没有效果。这种方式在生产和调校过程中非常繁琐，且最大的缺点是，当其中的一个传感器出现损坏无法使用时，需要将损坏的传感器和采集器一起进行维修。一般处理方法是将损坏传感器和采集器一起邮寄回生产厂家或厂家派维修人员到现场进行维修。且在维修期间用户的其他传感器无法使用。这在浪费用户时间的同时，也增加了厂家售后服务费用。

三、实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种生产、调校十分简单，标定方便快捷，实验效果好，且各传感器之间互不干扰，若一个传感器损坏，其他传感器仍可照常使用的实验教具。

本实用新型的目的是这样实现的：一种实验教具，含传感器和采集器。在传感器的输出端与采集器的输入端之间设置智能处理器，智能处理器由A/D转换器、MCU数字信号处理器和D/A转换器三部分组成，MCU数字信号处理器由电源信号处理器和MCU数字微处理器构成，其输入端上还连接有串口电平转换器。采集器的输出端上设置有与计算机连接的接口。

直流电源VCC连接的电源电路U5分别连接到A/D转换器、MCU数字信号处理器和D/A转换器的工作电源输入口，直流电源VDD连接串口电平转换器的工作电源输入口。

传感器输出端与A/D转换器的输入端上设置有多路接口J1，电源VDD与串口电平的输入端设置有接口J2，D/A转换器的输出端与采集器的输入端之间设置有接口J3。

本实用新型具有以下优点：

1、采用了智能处理技术，传感器信号通过A/D模数变换后，将模拟信号变为数字量，经MCU数学运算处理后再经由D/A数模变换变为模拟信号传输至采集器，采集器进行连续采样。采用此设计生产、调校实验教具时变得非常方便，只需将校正参数输入MCU微处理器即可。

2、通过串口电平转换电路使数字信号处理器的通讯电平与计算机串口的电平一致，便于直接将实验教具的采集器与计算机连接，适应了现代教学的管理需要。

3、所有标定不用在最终连接到的采集器进行，而在MCU中进行，各传感器之间互不干扰。当一个传感器出现损坏无法使用时，不需要将损坏的传感器和采集器一起邮寄回厂家进行维修，只需将损坏的传感器的型号报知厂家，由厂家将新的传感器邮寄到用户手中即可，而且在邮寄期间不影响用户其他传感器的使用。这在很大程度上节约用户时间的同时，也减少了厂家的售后服务费用。

四、附图说明

图1是本实验教具结构方框图。图2是A/D转换的电路示意图。

图3是MCU数字信号处理的电路示意图。图4是D/A转换电路示意图。

图5是串口电平转换电路图。

图6是为A/D转换器、MCU数字信号处理、D/A转换器提供工作电源U5的电路图。

图7是为电源与串口电平的输入端之间的接口J2。

图8是D/A转换器的输出端与采集器的输入端之间设置的接口J3。

五、具体实施方式

附图也即实施例。

实验教具由传感器、智能处理器和采集器三部分组成。智能处理器取代了现有实验教具的变送器位置，设置在传感器的输出端与采集器的输入端之间。智能处理器由A/D转换器，MCU数字信号处理器和D/A转换器组成。即：传感器→A/D→MCU→D/A→采集器。数字信号处理器包括电源信号处理器U1，芯片STC810构成的电路和MCU微处理器U2芯片STC89C52构成的电路。智能处理器同时具有信号放大和标定的功能。传感器信号通过U3构成的A/D模数变换电路进行模数变换后，将模拟信号变为数字信号，经MCU微处理器进行数学运算并标定后，进入U6，DAC7512构成的D/A转换电路，由D/A进行数模变换并将数字信号变为模拟信号传输至采集器，采集器进行连续采样。智能处理器的三部分，即A/D转换器，MCU数字信号处理器和D/A转换器的工作电源由电源U5，LP2951构成的电源电路提供，保证电压的稳定。电源U5的接入电源是3V直流电VCC。在MCU数字信号处理器的输入端上还连接有U4，由ADM202E构成的串口电平转换器。5V直流电源VDD通过接口J2向串口电平转换器提供工作电源。串口电平转换器将智能处理器的电平与计算机串口的电平调整为一致。在采集器的输出端上还设置有与计算机连接的串口，使实验教具与计算机连接在一起，所有实验数据都可方便地保存在计算机中。实验教具的传感器输出端与智能处理器的输入端的接口为J1，是多路接口。D/A转换器的输出端与采集器的输入端之间的接口是J3。

实验教具可连接各种不同的传感器，作为各种不同的实验演示教具。

当本实验教具作为二氧化碳实验教具时，通过二氧化碳传感器对二氧化碳气体进行采集，生成模拟信号，将模拟信号送入由A/D转换器，再由A/D转换器将信号送入MCU数字信号处理器，在数字信号处理器中，电源信号处理器STC810将信号放大、生成微处理器MCU可识别的信号后，由微处理器MCU，D/A对数字信号和参数进行线性修正和标定，最后再由D/A转换器将MCU生成的数字信号进行转换成模拟信号输出到采集器中，完成实验演示。

当本实验教具作为物理实验教具对电路的实验进行演示时，连接电流传感器。将电流通过0.01Ω的电阻，对电流信号进行采集生成模拟信号，将模拟信号送入由A/D转换器，由A/D将传感器生成的模拟信号转换成MCU可识别的数字信号，转换后送入MCU进行数字处理。MCU数字处理器对输入的数字信号和参数进行线性校正和标定，最后由D/A转换器将MCU数字处理器生成的数字信号进行转换，成为模拟信号输出到采集器中。

MCU数字信号处理器的标定和参数线性校正的过程用力学传感器的示例说明如下：

将力传感器电压变化产生的值，代入线性方程N＝KX+B中，从而得到力的大小，但是K值和B值由于电压的不稳定而存在误差，所以的到的测量值和真实值存在很大的误差，因此通过U5电源对电压稳压处理，取得较为稳定的数值后由中央处理器的对方程的K值和B值进行标定。这样，线性方程所得到的N值最接近真实值。

Claims (3)

1、一种实验教具，含传感器和采集器，其特征在于：在传感器的输出端与采集器的输入端之间设置智能处理器，智能处理器由A/D转换器、MCU数字信号处理器和D/A转换器三部分组成，所述MCU数字信号处理器由电源信号处理器(U1)和MCU数字微处理器(U2)构成，其输入端上还连接有串口电平转换器(U4)，所述A/D转换器的输出端上设置有与计算机连接的接口。

2、如权利要求1所述的实验教具，其特征在于：直流电源VCC连接的电源电路(U5)分别连接到A/D转换器、MCU数字信号处理器和D/A转换器的工作电源输入口，直流电源VDD连接串口电平转换器的工作电源输入口。

3、如权利要求1或2所述的实验教具，其特征在于：所述传感器输出端与A/D转换器的输入端上设置有多路接口(J1)，电源VDD与串口电平的输入端设置有接口(J2)，D/A转换器的输出端与采集器的输入端之间设置有接口(J3)。

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