RU142148U1 - Учебная лаборатория - Google Patents
Учебная лаборатория Download PDFInfo
- Publication number
- RU142148U1 RU142148U1 RU2013148086/12U RU2013148086U RU142148U1 RU 142148 U1 RU142148 U1 RU 142148U1 RU 2013148086/12 U RU2013148086/12 U RU 2013148086/12U RU 2013148086 U RU2013148086 U RU 2013148086U RU 142148 U1 RU142148 U1 RU 142148U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensors
- microcontroller
- converter
- additional
- analog
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrically Operated Instructional Devices (AREA)
Abstract
Учебная лаборатория, состоящая из базового набора датчиков и регистрирующего блока, включающего интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который соединен с кварцевым генератором, с преобразователем напряжения и через преобразователь и коммутатор с группой входных контактов, выполненный с возможностью подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно, отличающаяся тем, что в конструкции учебной лаборатории предусмотрены дополнительный вход для дополнительного источника питания, который через дополнительный преобразователь напряжения соединен с микроконтроллером, и аналоговый порт, который через аналого-цифровой преобразователь - цифроаналоговый преобразователь также соединен с микроконтроллером, а в базовый набор датчиков дополнительно включены датчики для измерения индуктивности, емкости, амплитудно-частотной характеристики и вольт-амперной характеристики.
Description
Полезная модель относится к устройствам, которые могут быть использованы для экспериментального практикума в общеобразовательных учреждениях с целью изучения физических явлений, проведения лабораторных опытов, прикладных работ и моделирования в области физики.
Экспериментирование - необходимая и весьма важная часть изучения естественных наук в школе. Существует целое поколение школьных естественнонаучных цифровых лабораторий. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов.
В настоящее время на Российском рынке представлены цифровые лаборатории «LabQuest» компании Vernier Software and Technology (США), «Архимед» компании Fourier Systems (Израиль), «Cobra 4» компании PHYWE (Германия), «Acquire» компании Philip Harris (Великобритания) и отечественные школьные комплекты компании «L-micro» (Россия, Москва,).
Все цифровые лаборатории построены по одному принципу. Они состоят из регистрирующего блока, стандартного комплекта датчиков, укомплектованы прилагаемым программным обеспечением. Передача данных на компьютер производится по кабелю через USB-порт.
Учебные цифровые лаборатории позволяют при желании решать и межпредметные задачи - осваивать понятия и методы, относящиеся к статистике, математике, информационным технологиям, однако, как правило, они поставляются в учебные заведения в стандартной комплектации и ориентированы на определенную область естественнонаучных изысканий. Отмечая хороший дизайн и практически безотказную работу зарубежных цифровых лабораторий, следует отметить их определенные недостатки. Например, датчики различных цифровых лабораторий не взаимозаменяемы, ни по параметрам, ни по разъемам, кроме того, к разъемам регистрирующего блока невозможно присоединять другие приборы, которыми обычно укомплектованы школьные физические лаборатории, возможность подключения к нему различных исполнительных устройств также не предусмотрена. С другой стороны, стандартная комплектация этих лабораторий датчиками для проведения физических измерений довольно скудная. Например, в стандартной комплектации по физике в «LabQuest» всего 7 датчиков, в «PHYWE» - 9, в «Harris» - 8, немного больше датчиков в лабораториях «Архимед» и отечественных ЦЛ.
За прототип полезной модели взята цифровая лаборатория «АРХИМЕД» компании Fourier Systems (Израиль), стандартная комплектация датчиков которой наиболее обширна.
Прототип представляет собой регистрирующий блок, питаемый и управляемый компьютером через интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который через АЦП сообщается с группой входных контактов, и прилагаемый к регистрирующему блоку базовый набор датчиков, причем имеется возможность подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно.
Недостатком прототипа является ограниченное количество датчиков. Выбор датчиков, которые можно включить в базовый набор, очень обширный, но в приложении к конкретной выбранной области знаний - оказывается весьма ограниченным. Например, среди датчиков для измерения физических величин есть датчики температуры, давления, силы, расстояния, освещенности, радиоактивности, силы тока, напряжения, индукции магнитного поля, однако отсутствуют датчики емкости и индуктивности, датчик измерения АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) активных электронных компонентов, акустических систем и т.п., датчик измерения ВАХ (вольт-амперной характеристики) для нелинейных электронных компонентов (диод, тиристор, стабилитрон), а также для электро-вакуумных приборов, которые необходимы для проведения экспериментов при изучении соответствующих разделов физики.
Кроме того, у прототипа отсутствует возможность подключения других измерительных приборов и различных исполнительных устройств. Таким образом, его сложно использовать в проектной деятельности учащихся, применение большинства датчиков ограничивается демонстрационным экспериментом.
Задачей, на которую направлена предлагаемая полезная модель, является создание учебной лаборатории, выполненной с расширенным, по сравнению с существующими, набором датчиков физических величин, и с возможностью осуществления работы автономно от внешнего компьютера для подключения дополнительных измерительных приборов и различных исполнительных устройств.
Технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства, обеспечивается тем, что учебная лаборатория состоит из базового набора датчиков и регистрирующего блока, включающего интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который соединен с кварцевым генератором, с преобразователем напряжения и через АЦП и коммутатор с группой входных контактов, выполненный с возможностью подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно.
Новым является то, что в конструкции учебной лаборатории предусмотрены дополнительный вход для дополнительного источника питания, который через дополнительный преобразователь напряжения соединен с микроконтроллером, и аналоговый порт, который через АЦП-ЦАП также соединен с микроконтроллером, а в базовый набор датчиков дополнительно включены датчики измерения индуктивности, емкости, АЧХ и ВАХ.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором приведена схема регистрирующего блока учебной лаборатории (см. Фиг. 1).
Учебная лаборатория состоит из регистрирующего блока и базового набора датчиков, к которым прилагается носитель с оригинальным программным обеспечением для установки на внешнем персональном компьютере.
Регистрирующий блок (см. Фиг. 1) учебной лаборатории включает интерфейс USB 1 (не путать с протоколом) для соединения внешнего персонального компьютера с микроконтроллером 2, кварцевый генератор 3, осуществляющий синхронизацию всех узлов устройства, преобразователь напряжения 4, дополнительный вход 5 для подключения дополнительного источника питания, соединенный через дополнительный преобразователь напряжения 6 с микроконтроллером 2, группу входных контактов 7, которая через коммутатор 8 и преобразователь 9 соединена с микроконтроллером 2, а также соединенный с микроконтроллером 2 через АЦП-ЦАП 10 аналоговый порт 11.
Работа учебной лаборатории, получившей название «Кулибин», осуществляется следующим образом.
В случае подключения регистрирующего блока к внешнему персональному компьютеру все управление работой осуществляется от компьютера через интерфейс USB 1 с помощью микроконтроллера 2 Atmel ATMEGHA328P-PU. При подключении прибора к внешнему персональному компьютеру с помощью интерфейса USB 1 устанавливается соединение через драйвер устройства. При этом внешний персональный компьютер может передавать в микроконтроллер 2 команды и получать из него данные. Электропитание устройства осуществляется от линии +5 В шины USB, из которых преобразователем напряжения 4 формируются необходимые напряжения для питания микроконтроллера 2 и других элементов устройства.
При необходимости вывода управляющих сигналов на аналоговые приборы индикации или на различные исполнительные механизмы (шаговые двигатели, размыкатели, электромагнитные реле и т.п.) и роботизированные устройства, как стандартные, так и создаваемых учащимися в процессе творческой деятельности, т.е. при необходимости подключения нагрузки, для которой использование интерфейса USB невозможно, осуществляется режим работы регистрирующего блока автономно от внешнего персонального компьютера, напряжение +5 В подается от дополнительного источника через дополнительный вход 5, а необходимые напряжения формирует дополнительный преобразователь напряжения 6.
Синхронизация работы всех узлов устройства обеспечивается кварцевым генератором 3 с частотой 8 МГц.
Цикл работы устройства осуществляется следующим образом. При подаче напряжения инициируется внутренняя программа микроконтроллера 2, которая тестирует устройство и выдает звуковой и световой сигналы о готовности к работе.
Далее, в случае работы с внешним персональным компьютером, к группе входных контактов 7 подключаются датчики (до 3-х одновременно), которые через кодовые резисторы распознаются коммутатором 8, который также подает на определенные датчики питание в случае необходимости. Сигналы с датчиков через коммутатор 8 и преобразователь 9 поступают в микроконтроллер 2, затем через интерфейс USB 1 данные измерений для визуализации, обработки и хранения поступают во внешний персональный компьютер.
В случае осуществления режима работы регистрирующего блока автономно от внешнего персонального компьютера управляющие сигналы с микроконтроллера 2 через АЦП-ЦАП 10 подаются на подключаемые аналоговые устройства через аналоговый порт 11 и, соответственно, принимаемая от аналоговых устройств информация через аналоговый порт 11 и АЦП-ЦАП 10 поступает обратно в микроконтроллер 2.
В базовую комплектацию датчиков учебной лаборатории «Кулибин» входят те же датчики, что и у прототипа, и несколько дополнительных датчиков, которые весьма существенны в рамках изучения школьной программы по курсу «Электричество и магнетизм». Кроме того, по стоимости учебная лаборатория «Кулибин» значительно выгоднее зарубежных аналогов. Сравнительные данные отражены в приведенных ниже таблицах.
Сравнение базовых комплектаций учебных лабораторий по курсу «Электричество и магнетизм» | ||||||||||
№ п/п | Разработчик, наименование | Наличие датчика в базовом комплекте | ||||||||
тока | напряжения | индукции магнитного поля | электростатического заряда | электропроводности | индуктивности | емкости | измерения АЧХ | измерения ВАХ | ||
1 | Vernier Software & Technology (USA) LabQuest'2 | √ | √ | √ | √ | √ | ||||
2 | Philip Harris (UK) Acquire | √ | √ | √ | ||||||
3 | PHYWE (Germany) Cobra 4 | √ | √ | √ | √ | |||||
4 | Fourier Systems (Israel) Arhimed | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
5 | ООО «МЕДУЗА» (Россия) «Кулибин» | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
Сравнение стоимости представленных на российском рынке учебных лабораторий, укомплектованных десятью стандартными датчиками | |||
№ п/п | Наименование компании-производителя | Цена за: (валюта/рубли) | |
электрон, блок | 10 датчиков в базе | ||
1 | Vernier Software and Technology, США, http://www.vernier.com | LabQuest | |
2455 $/13650 руб. | 746 $/22380 руб. | ||
2 | Fourier Systems, Израиль, http://fourieredu.com | Архимед 4 Nova Link | |
270 $/8100 руб. | 927$ / 29700 руб. | ||
3 | PHYWE, Германия, www.phywe.de | Cobra 4 USB Link | |
310 €/12710 руб. | 520 €/21320 руб. | ||
4 | Philip Harris, Великобритания, www.philipharris.co.uk | Acquire, в комплекте с 10 датчиками | |
729,95 £ /36498 руб. | |||
5 | ООО «МЕДУЗА», РОССИЯ | Кулибин не более 6500 руб. | не более 14500 руб. |
Таким образом, предлагаемая учебная лаборатория «Кулибин» в стандартной комплектации обладает большим, по сравнению с аналогами, количеством необходимых датчиков для физических измерений, обладает возможностью осуществления работы автономно от внешнего компьютера и возможностью подключения дополнительных измерительных приборов и различных исполнительных устройств, а значит, обладает расширенными по сравнению с аналогами функциональными возможностями.
Claims (1)
- Учебная лаборатория, состоящая из базового набора датчиков и регистрирующего блока, включающего интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который соединен с кварцевым генератором, с преобразователем напряжения и через преобразователь и коммутатор с группой входных контактов, выполненный с возможностью подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно, отличающаяся тем, что в конструкции учебной лаборатории предусмотрены дополнительный вход для дополнительного источника питания, который через дополнительный преобразователь напряжения соединен с микроконтроллером, и аналоговый порт, который через аналого-цифровой преобразователь - цифроаналоговый преобразователь также соединен с микроконтроллером, а в базовый набор датчиков дополнительно включены датчики для измерения индуктивности, емкости, амплитудно-частотной характеристики и вольт-амперной характеристики.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013148086/12U RU142148U1 (ru) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | Учебная лаборатория |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013148086/12U RU142148U1 (ru) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | Учебная лаборатория |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU142148U1 true RU142148U1 (ru) | 2014-06-20 |
Family
ID=51219081
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013148086/12U RU142148U1 (ru) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | Учебная лаборатория |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU142148U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2670730C2 (ru) * | 2015-11-17 | 2018-10-24 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Аппаратно-программный комплекс для макетирования и отладки цифровых устройств на базе микроконтроллеров различных архитектур |
-
2013
- 2013-10-30 RU RU2013148086/12U patent/RU142148U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2670730C2 (ru) * | 2015-11-17 | 2018-10-24 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Аппаратно-программный комплекс для макетирования и отладки цифровых устройств на базе микроконтроллеров различных архитектур |
RU2670730C9 (ru) * | 2015-11-17 | 2018-11-30 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Аппаратно-программный комплекс для макетирования и отладки цифровых устройств на базе микроконтроллеров различных архитектур |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zachariadou et al. | A low-cost computer-controlled Arduino-based educational laboratory system for teaching the fundamentals of photovoltaic cells | |
CN205091380U (zh) | 一种自动化专业教学使用的万用表 | |
CN103149401A (zh) | 一种多功能简易示波器 | |
RU142148U1 (ru) | Учебная лаборатория | |
CN104007397A (zh) | 一种基于基本电阻电路的可扩展的简易电源老化测试仪器 | |
CN105096710A (zh) | 多路传感器应用系统 | |
Krishnanand et al. | Electrical submetering with repurposable applications for the built environment | |
CN110751888A (zh) | 一种层次化模拟电路实验箱 | |
CN204010467U (zh) | 一种平面镜成像演示仪 | |
CN203882505U (zh) | 用于电路分析基础实验的便携式教具 | |
CN203276673U (zh) | 一种电子实验装置 | |
CN208637050U (zh) | 一种适用于科普场馆的奥斯特实验演示装置 | |
CN208092999U (zh) | 一种用于编程教学板的振动模块 | |
CN204926635U (zh) | 一种多路传感器应用系统 | |
CN207148206U (zh) | 一种电池模拟器的电流取样系统及电池模拟器 | |
CN202042097U (zh) | 一种电子实验盒 | |
CN201725471U (zh) | 探究式洛伦兹力演示装置 | |
CN203967406U (zh) | 一种带电脑主副控的电表插座 | |
Donose et al. | Virtual monitoring of electrical circuitry | |
CN202887549U (zh) | 电与热探究演示装置 | |
CN204010459U (zh) | 集成运算放大器教学用的温度过高报警电路 | |
CN203909137U (zh) | 液晶模组多路电源检测系统 | |
CN203630212U (zh) | Usb电压电流表 | |
CN201638437U (zh) | 物体导电教学实验仪 | |
CN204241602U (zh) | 一种电子信息工程用检测机构 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20171031 |