專利名稱：一種計算機控制的實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種實驗裝置，特別涉及到一種計算機控制的實驗裝置，屬于教學(xué)實驗儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，中學(xué)理化實驗還基本上停留在傳統(tǒng)時代，現(xiàn)有的實驗技術(shù)，主要是用傳統(tǒng)的技術(shù)進行理科實驗，如用彈簧稱做力學(xué)實驗，用電壓表和電流表做電學(xué)實驗，用眼睛讀出實驗結(jié)果，然后用紙和筆進行實驗數(shù)據(jù)的記錄，畫圖分析實驗結(jié)果；從以上情況分析，傳統(tǒng)方式只能在單一學(xué)科進行實驗，并對微小及瞬間變化的信號無法進行觀察，因此對于動態(tài)的信息變化不能進行有效的分析。近年來隨著教育改革的深入，特別是素質(zhì)教育的落實，各地教育工作者不斷探索旨在提高學(xué)生動手能力，探究和解決問題能力的新途徑，對實驗儀器也提出了新的更高的要求，要求實驗操作性更強、測量更精確，而更為重要的是可設(shè)計性的提高以及理、化、生和數(shù)學(xué)的融會貫通。
由此可見，上述現(xiàn)有的實驗裝置仍存在有諸多的缺陷，需加以進一步改進。
為了解決現(xiàn)有的實驗裝置存在的缺陷，許多廠家都在尋求解決的方法，但一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，針對這一目前在教學(xué)實驗領(lǐng)域存在的問題，本實用新型提供了一種帶有計算機控制的實驗裝置。
實用新型內(nèi)容本實用新型的主要目的在于提供一種引進現(xiàn)代科技中的計算機實時測量裝置，利用電腦作為實驗終端，通過傳感器、數(shù)據(jù)變送器，和常規(guī)儀器共同完成對實驗對象的測量，對實驗數(shù)據(jù)處理和分析、得到實驗結(jié)果；并綜合文字敘述、數(shù)學(xué)公式、函數(shù)圖表三種基本方法，幫助學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，探索原理，總結(jié)與理解客觀規(guī)律，通過不同的傳感器的組合能夠進行跨學(xué)科實驗，如用化學(xué)傳感器和物理傳感器的配合使用進行理化綜合實驗，分析物理量和化學(xué)量變化的實驗規(guī)律滿足國家教學(xué)改革對實驗儀器提出的新的要求。
本實用新型的另一目的在于提供目前已經(jīng)成熟的計算機實時測量技術(shù)，通過傳感器檢測需要測量的信號并轉(zhuǎn)換成電信號，通過整形處理實時傳輸給數(shù)據(jù)采集器，然后通過數(shù)據(jù)采集器實時傳輸給計算機，由計算機軟件實時顯示數(shù)據(jù)，并對其進行后期的分析處理。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種帶有計算機控制的實驗裝置，至少包括連接到相應(yīng)實驗設(shè)備上的傳感器及其信號整形電路、數(shù)據(jù)采集電路及數(shù)字分析電路；傳感器及信號整形電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路電連接；數(shù)據(jù)采集電路的輸出端通過USB通信控制電路、串行口電平轉(zhuǎn)換電路與計算機系統(tǒng)連接，同時和數(shù)據(jù)儲存器相互連接。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的傳感器至少是力傳感器、距離傳感器、光電門傳感器、加速度傳感器、聲波傳感器、熱學(xué)傳感器、電磁學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器以及化學(xué)用PH值傳感器；上述傳感器的之一或者其組合；該傳感器由至少4種不同的小信號放大電路相互連接組成，在其輸入內(nèi)部接有可直接接光電門的上拉電阻。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的熱學(xué)傳感器為溫度傳感器和/或氣體壓強傳感器。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的電磁學(xué)傳感器為電壓傳感器和/或電流傳感器和/或磁場強度傳感器。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的光學(xué)傳感器為光強傳感器。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的接口部分至少由六根數(shù)據(jù)線組成；該六根數(shù)據(jù)線分別連接數(shù)字電平輸入信號、接地信號、自動識別傳感器的識別數(shù)據(jù)信號、自動識別傳感器時鐘輸入信號、傳感器及處理電路供電電源和模擬信號輸入信號。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的數(shù)據(jù)采集電路，由程控放大電路的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接微處理器的輸入端，微處理器的輸出端與程控放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端并聯(lián)連接。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的程控放大電路由一個741型放大器和一個多路轉(zhuǎn)換器DG211組成；至少支持2倍、5倍、10倍、20倍4種放大倍數(shù)。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用高速轉(zhuǎn)換芯片0820芯片。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其中所述的微處理器內(nèi)設(shè)有8K閃存。
前述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，所述的計算機系統(tǒng)至少由計算機和設(shè)置在計算機系統(tǒng)內(nèi)部的實驗設(shè)置電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)分析電路組成，該實驗設(shè)置電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)分析電路分別通過相應(yīng)的接口或總線和計算機連接。
前述的帶有計算機控制的實驗裝置，該實驗裝置還設(shè)有電源部分，至少由外置電源、充電、內(nèi)置電源、升壓四部分組成；外置電源采用5V1A的開關(guān)電源組成通過插接座給整個系統(tǒng)供電。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，為了達到前述實用新型目的，本實用新型的主要技術(shù)內(nèi)容如下該裝置將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、應(yīng)用軟件技術(shù)整合起來應(yīng)用到綜合理化實驗教學(xué)上，該裝置由傳感器信號整形部分、數(shù)據(jù)采集部分、計算機軟件部分組成。本系統(tǒng)設(shè)計了四個數(shù)據(jù)采集通道并能并行采集四種實驗信號，同時便攜式設(shè)計使教師能夠在課堂上和在實驗室均能進行實驗。能夠以不同形式的通信接口傳輸命令與接收數(shù)據(jù)，使得任何傳感器信號數(shù)據(jù)，不論是模擬信號還是數(shù)字信號，物理量信號還是化學(xué)量信號等均能夠方便的輸出到數(shù)據(jù)采集器中。加之獨具特色的公式編輯器與豐富的數(shù)據(jù)擬合算法極大地增強了數(shù)據(jù)加工與處理功能。
綜上所述，本實用新型特殊結(jié)構(gòu)的一種帶有計算機控制的實驗裝置，具有上述諸多的優(yōu)點及實用價值，并在同類產(chǎn)品中未見有類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計公開發(fā)表或使用，且其不論在結(jié)構(gòu)上或功能上皆有較大的改進，在實驗用裝置的技術(shù)方面有較大的進步，并產(chǎn)生了好用及實用的效果，從而更加適于實用，的確為一新穎、進步、實用的新設(shè)計。
上述說明僅是本實用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。


圖1為一種帶有計算機控制的實驗裝置的電路框圖；圖2為一種帶有計算機控制的實驗裝置系統(tǒng)框圖；圖3為一種帶有計算機控制的實驗裝置計算機軟件系統(tǒng)實時顯示示意圖；具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型作進一步的詳細說明請參閱圖1所示，為本實用新型的電路框圖；本系統(tǒng)的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在將成熟的傳感器及數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到理科教學(xué)實驗，解決理科實驗中由傳統(tǒng)實驗儀器不能解決的問題，本系統(tǒng)由傳感器及數(shù)據(jù)整形部分1、數(shù)據(jù)采集器部分(2、3、4、5、6、7、8、9、)；計算機軟件系統(tǒng)部分(10)；電源部分(11、12、13、14)三部分組成。
其中傳感器1至少包括力傳感器、距離傳感器、光電門傳感器、加速度傳感器、聲波傳感器、熱學(xué)傳感器(溫度傳感器、氣體壓強傳感器)、電磁學(xué)傳感器(電壓傳感器、電流傳感器、磁場強度傳感器)、光學(xué)傳感器(光強傳感器)以及化學(xué)用PH值傳感器(圖中未示)；該傳感器由各種不同的小信號放大電路組成，在輸入端內(nèi)部接有上拉電阻，可直接接光電門。
傳感器1與數(shù)據(jù)采集部分通過標(biāo)準(zhǔn)接口2連接，該標(biāo)準(zhǔn)接口2由六根數(shù)據(jù)線組成，接口的通用性設(shè)計保證了采集器的獨立性，具體如下第1線DIN數(shù)字電平輸入線第2線GND接地線第3線A-ID Data自動識別傳感器的識別數(shù)據(jù)線第4線A-ID CLD自動識別傳感器時鐘輸入線第5線VCC直流電源+5V，為傳感器及處理電路部分供電第6線AIN模擬信號輸入線0-+5V數(shù)據(jù)采集部分由程控放大電路4、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5及微處理器6組成；程控放大電路4模擬信號進入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5之前先進行程控放大電路4，由單片機控制信號的放大倍數(shù)以此來實現(xiàn)輸入信號很小時，分辨率低的問題。由一個741型放大器和一個多路轉(zhuǎn)換器DG211組成，由單片機控制DG211的通路以給741不同阻值的反饋電阻完成對輸入信號的不同的放大倍數(shù)，目前支持2倍、5倍、10倍、20倍四種不同放大倍數(shù)。
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5；采用高速轉(zhuǎn)換芯片0820芯片將0-5v的傳感器部分輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可以同時轉(zhuǎn)換四個通道的模擬信號，轉(zhuǎn)換完成時通過給單片機的INTO發(fā)信號電平通知單片機。
數(shù)字轉(zhuǎn)換電路3將輸入的脈沖信號進行由741v74芯片轉(zhuǎn)換然后由單片機進行脈沖信號的上升沿和下降沿的計時，要求輸入信號高電平大于3V，低電平小于1V，在輸入端內(nèi)部接上拉電阻，可直接接光電門。
微處理器6是整個采集器的中心，主要是控制數(shù)據(jù)采集的頻率以及對采集的數(shù)據(jù)的存儲和與PC機軟件的通信，由一片C52單片機組成，其自帶8K閃存，用于存儲單片機控制程序，控制程序由C語言編寫。
微處理器6通過USB通信控制接口9及串行口電平轉(zhuǎn)換8并行與計算機軟件系統(tǒng)10連接。
USB通信控制器9USB通信采用標(biāo)準(zhǔn)的USB1.1通信協(xié)議，其實現(xiàn)是通過擴展一片USB接口芯片PDIUSBD12來實現(xiàn)，通過C52單片機的控制來實現(xiàn)采集器與PC機之間的數(shù)據(jù)通信；串行口電平轉(zhuǎn)換8串行通信單元由C52的片內(nèi)串口單元加電平轉(zhuǎn)換芯片SP3220組成三線全雙工RS232電平異步串行口，外加兩條PC機的RTS和CTS線，上電復(fù)位后，串行口的波特率可調(diào)，同時串行口帶有防靜電端口保護功能保護電平轉(zhuǎn)換芯片的安全。
數(shù)據(jù)存儲7與微處理器6相互交換信息，為采集頻率很高的數(shù)據(jù)，需要對采集的數(shù)據(jù)進行臨時存儲，本系統(tǒng)采用6264作為數(shù)據(jù)存儲器，由單片機控制對其進行讀寫操作。
請參閱圖1所示，其系統(tǒng)的電源部分由外置電源11、充電電路12、內(nèi)置電源13、升壓14四部分組成，外置電源11采用5V1A的開關(guān)電源組成通過插接座給整個系統(tǒng)供電，同時檢測內(nèi)置電源13的電壓，如低于飽和電壓則通過充電電路12給內(nèi)部電源充電，內(nèi)部電源采用大容量充電電池組組成，當(dāng)沒有外置電源11時，由內(nèi)部電源13為系統(tǒng)供電。
請參閱圖2所示，為計算機控制的實驗裝置系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)主要由實驗設(shè)備101、數(shù)據(jù)采集102、數(shù)據(jù)分析103三部分順序組成，實驗設(shè)置101由輸入1011及1012組成；數(shù)據(jù)采集102由數(shù)據(jù)采集1021及數(shù)據(jù)顯示1022組成；數(shù)據(jù)分析103由數(shù)據(jù)擬合1031及數(shù)據(jù)處理1032組成。
實驗設(shè)置輸入部分1011；選項以向?qū)Ｊ街鸩蕉x實驗的名稱、通道關(guān)系、通信參數(shù)與相關(guān)實驗參數(shù)等。
實驗設(shè)置輸入部分1012；選項以特定的文件格式輸出與存儲，并具有再編輯功能。該文件可單步打開也可以以向?qū)问蕉嗖酱蜷_。
數(shù)據(jù)采集1021；在已有的通信參數(shù)與通道關(guān)系設(shè)定的基礎(chǔ)上與系統(tǒng)的采集器進行通信，并將數(shù)據(jù)回采到緩存中。
數(shù)據(jù)顯示1022；將數(shù)據(jù)采集過程中獲得的緩存中的數(shù)據(jù)讀出并以數(shù)據(jù)列表、數(shù)據(jù)圖表及模擬儀器的形式動態(tài)顯示，以反映實驗的具體現(xiàn)象。
數(shù)據(jù)擬合1031；將采集的數(shù)據(jù)按照某種假定的關(guān)系進行線形或非線形數(shù)據(jù)擬合，用以驗證實驗數(shù)據(jù)的相互關(guān)系。
數(shù)據(jù)處理1032；用特定的代數(shù)式對原始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從而進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計等深層分析。
該系統(tǒng)工作過程如下本系統(tǒng)由傳感器采集各種實驗信號，經(jīng)過整形放大等處理后轉(zhuǎn)變成電壓信號并通過標(biāo)準(zhǔn)接口實時輸出到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器受計算機軟件的控制采集傳感器檢測到的信號并進行數(shù)字化，然后通過串行通信方式或USB通信方式將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，由計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)擬合、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲和打印等。本系統(tǒng)的工作過程由計算機通過通信口傳遞命令和參數(shù)來控制，命令集包括狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)讀取、過程控制、系統(tǒng)讀寫命令，由過程控制命令啟動和中止測量采集過程。說明如下a.初態(tài)單片機上電后首先進行初始化，然后查詢USB口和串行口，收到初始化命令后判斷其作為通訊口，應(yīng)答后進入等待狀態(tài)。
b.待命態(tài)單片機進入待命態(tài)，查詢通訊口準(zhǔn)備接受命令
c.命令接受態(tài)單片機接收到命令幀后，進入命令分析處理過程，整理輸入?yún)?shù)。若不能分辨識別收到的命令，則返回PC機錯誤幀。若命令正確，進入命令處理態(tài)。
d.命令處理態(tài)單片機解析命令幀，根據(jù)命令的要求進行數(shù)據(jù)采集，控制采樣時間、采樣的總數(shù)據(jù)點數(shù)，采集結(jié)束后進入數(shù)據(jù)回送態(tài)；e.數(shù)據(jù)回送態(tài)單片機采集完數(shù)據(jù)后要將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，傳輸結(jié)束后重新進入待命態(tài)。之后，進入數(shù)據(jù)的后期處理階段，由計算機及軟件進行實驗數(shù)據(jù)的后期處理。
請參閱圖3所示，在本實用新型中為了更直觀的了解實驗的各種數(shù)據(jù)，設(shè)置了本實驗裝置的實時顯示部分；最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型而并非限制本實用新型所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本實用新型已進行了詳細的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本實用新型進行修改或者等同替換；而一切不脫離本實用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于至少包括連接到相應(yīng)實驗設(shè)備上的傳感器及其信號整形電路、數(shù)據(jù)采集電路及數(shù)字分析電路；傳感器及信號整形電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路接口電連接；數(shù)據(jù)采集電路的輸出端通過USB通信控制電路、串行口電平轉(zhuǎn)換電路與計算機系統(tǒng)連接，同時和數(shù)據(jù)儲存器相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的傳感器至少是力傳感器、距離傳感器、光電門傳感器、加速度傳感器、聲波傳感器、熱學(xué)傳感器、電磁學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器以及化學(xué)用PH值傳感器；上述傳感器的之一或者其組合；該傳感器由至少4種不同的小信號放大電路相互連接組成，在其輸入端內(nèi)部接有可直接接光電門的上拉電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的熱學(xué)傳感器為溫度傳感器和/或氣體壓強傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的電磁學(xué)傳感器為電壓傳感器和/或電流傳感器和/或磁場強度傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的光學(xué)傳感器為光強傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的接口部分至少由六根數(shù)據(jù)線組成；該六根數(shù)據(jù)線分別連接數(shù)字電平輸入信號、接地信號、自動識別傳感器的識別數(shù)據(jù)信號、自動識別傳感器時鐘輸入信號、傳感器及處理電路供電電源和模擬信號輸入信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的數(shù)據(jù)采集電路，由程控放大電路的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接微處理器的輸入端，微處理器的輸出端與程控放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端并聯(lián)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于程控放大電路由一個741型放大器和一個多路轉(zhuǎn)換器DG211組成；至少支持2倍、5倍、10倍、20倍4種放大倍數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用高速轉(zhuǎn)換芯片0820芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于其中所述的微處理器內(nèi)設(shè)有8K閃存。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于所述的計算機系統(tǒng)至少由計算機和設(shè)置在計算機系統(tǒng)內(nèi)部的實驗設(shè)置電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)分析電路組成，該實驗設(shè)置電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)分析電路分別通過相應(yīng)的接口或總線和計算機連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任一權(quán)利要求所述的帶有計算機控制的實驗裝置，其特征在于該實驗裝置還設(shè)有電源部分，至少由外置電源、充電、內(nèi)置電源、升壓四部分組成；外置電源采用5V1A的開關(guān)電源組成通過插接座給整個系統(tǒng)供電。
專利摘要一種帶有計算機控制的實驗裝置，包括連接到相應(yīng)實驗設(shè)備上的傳感器及其信號整形電路、數(shù)據(jù)采集電路及數(shù)字分析電路；傳感器及信號整形電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路電連接；數(shù)據(jù)采集電路的輸出端通過USB通信控制電路、串行口電平轉(zhuǎn)換電路與計算機系統(tǒng)連接，同時和數(shù)據(jù)儲存器相互連接。本裝置通過將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、應(yīng)用軟件技術(shù)整合起來應(yīng)用到綜合理化實驗教學(xué)上，完成實驗對象的測量、實驗數(shù)據(jù)處理和分析、得到實驗結(jié)果并綜合文字敘述、數(shù)學(xué)公式、函數(shù)圖表三種基本方法。
文檔編號G06F3/00GK2651825SQ200320102689
公開日2004年10月27日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月12日
發(fā)明者于長庚 申請人:于長庚