李成龍

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南　230001)

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基于單片機(jī)的交互式智能實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

李成龍

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南230001)

摘 要：介紹了以單片機(jī)為核心，運(yùn)用多種傳感器硬件和單片機(jī)軟件搭配，設(shè)計(jì)出交互式智能實(shí)驗(yàn)儀器，該儀器能在使用中監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)者的關(guān)鍵操作步驟，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作錯(cuò)誤進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒與反饋。本文以實(shí)驗(yàn)儀為例，給出了具體的設(shè)計(jì)過(guò)程與交互儀器的硬件框圖及程序流程圖。

關(guān)鍵詞：智能儀器；傳感器；交互

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)[1]，大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，因涉及專業(yè)廣、參與學(xué)生多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)而使儀器的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它實(shí)驗(yàn)課。實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)過(guò)多，非常不利于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的教學(xué)指導(dǎo)和管理。因此嘗試使用基于單片機(jī)的交互式智能實(shí)驗(yàn)儀器，以期減輕教師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作。

1交互式教學(xué)儀器設(shè)計(jì)的緣由

設(shè)計(jì)用于教學(xué)的交互式智能儀器的想法由來(lái)已久。我校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀基本是大規(guī)模流水線式的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)教師在實(shí)驗(yàn)期間要指導(dǎo)近40位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作，課中很難對(duì)每一位學(xué)生作出及時(shí)的指導(dǎo)、糾正。導(dǎo)致部分聽(tīng)課不認(rèn)真的學(xué)生胡亂的操作儀器，不僅實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差大，而且經(jīng)常損壞儀器。對(duì)于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)不足的班級(jí)，教師基本是忙的“焦頭爛額”。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)大綱要求的“三基”(基本知識(shí)、基本方法、基本技能)的基本訓(xùn)練，特別是基本技能的訓(xùn)練缺乏深度。為了緩解、應(yīng)對(duì)這樣教學(xué)現(xiàn)狀，提出了交互式實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)概念。

2交互式實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

如圖1所示，為我校使用的Dp501型亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀。該儀器采用了霍爾元件和STC89C52系列單片機(jī)[2]組成磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，用于采集磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)并輸出至數(shù)碼管顯示，該儀器可以自動(dòng)校零，自動(dòng)平均數(shù)據(jù)。

該儀器自帶單片機(jī)系統(tǒng)，因此有足夠的硬件資源進(jìn)行智能儀器設(shè)計(jì)改造，只需增加電流監(jiān)測(cè)模塊，即可提升儀器的交互性和智能性。

硬件改動(dòng)：如圖2所示，在儀器的兩線圈中各增加一個(gè)電流測(cè)量模塊，模塊采用美信公司生產(chǎn)的高精密電流檢測(cè)放大芯片MAX471，測(cè)量精度1 000 mV/A。該模塊將電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量進(jìn)行測(cè)量。單片機(jī)輸出部分增加一塊操作指示面板。電流測(cè)量模塊與霍爾傳感器磁場(chǎng)測(cè)量模塊的信號(hào)，經(jīng)12位模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后接入單片機(jī)，單片機(jī)處理后由儀器面板數(shù)碼管顯示相應(yīng)的電流與磁場(chǎng)值。

改造后的儀器實(shí)驗(yàn)操作與改造前無(wú)任何區(qū)別。對(duì)操作者而言，儀器只是多出一塊操作指示面板。如圖2所示，指示面板上有許多LED指示燈，每個(gè)燈旁邊都有相應(yīng)的提示內(nèi)容。如提示：“毫特表未調(diào)零”、“線圈電流反向，請(qǐng)檢查接線”、“磁場(chǎng)值偏小，請(qǐng)檢查傳感器位置”、“電流過(guò)大！”、“電流過(guò)??！”、“單線圈通電中……”等等。

3軟件程序流程

開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)運(yùn)行，首先采集電流值與磁場(chǎng)值直接輸出到儀器前面板的數(shù)碼管顯示。同時(shí)單片機(jī)主程序?qū)x器的現(xiàn)狀進(jìn)行判別：如果電流為零，而磁場(chǎng)值不為零，則提示“毫特表未調(diào)零”，即相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮，直到儀器操作中出現(xiàn)電流、磁場(chǎng)同時(shí)為零或近乎同時(shí)為零時(shí)，該燈熄滅；比較線圈電流的大小與方向，如果反向，則提示“線圈電流反向，請(qǐng)檢查接線”；比較電流大小，提示“電流過(guò)大！”、“電流過(guò)小！”、“單線圈通電中……”；監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)值的偏差，如該實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)時(shí)取200 mA的電流，在此電流下在測(cè)量區(qū)域內(nèi)則線圈的磁場(chǎng)最大不會(huì)超過(guò)0.9 mT，最小不會(huì)低于0.1 mT，因此可以根據(jù)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)大于或小于這極限值的范圍，同時(shí)結(jié)合此時(shí)流過(guò)線圈的電流值的大小和方向進(jìn)行判別，并由指示面板提示“電流過(guò)大！”、“電流過(guò)??！”、“線圈電流反向，請(qǐng)檢查接線”、“磁場(chǎng)值偏(大)小，請(qǐng)檢查傳感器位置”等等。

4結(jié)論

1、以硬件為基礎(chǔ)的交互、反饋性實(shí)驗(yàn)儀器，在動(dòng)手能力的訓(xùn)練中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。用于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、教學(xué)有明顯的輔助效果，可以很快提高動(dòng)手能力較差的學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，值得推廣使用。

2、本試制的儀器功能尚不完善，但該類儀器可以輕松實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)，編制更加復(fù)雜的程序，來(lái)模擬指導(dǎo)各種復(fù)雜、多變的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作。

3、交互式系統(tǒng)造價(jià)低廉，維護(hù)簡(jiǎn)單。如果操作指示面板設(shè)計(jì)的巧妙合理，可讓操作者一目了然。其適當(dāng)?shù)奶崾九c糾正，能讓實(shí)驗(yàn)順利、準(zhǔn)確的完成，使得實(shí)驗(yàn)中基本無(wú)需教師太多的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈元華、陸申龍．《基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)》[M].北京：高等教育出版社，2003(12):1.

[2]王建,宋永昌,魏福江．單片機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010(1):2.

[3]譚浩強(qiáng)．C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005(7):104.

[4]湯勤慧，等.智能角度傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(5)：76-79.

[5]李成龍.基于單片機(jī)增量式編碼器的分光設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(4)：54-56.

Design of Interactive Experiment Instrument Based on MCU

LI Cheng-long

(Anhui University of Science and Technology,Anhui Huainan 232001)

Key words：intelligent instrument；sensor；interaction.

Abstract：It introduces how to design the interactive intelligent test instrument with the single-chip microcomputer as the core,using a variety of hardware and software for the microcontroller collocation.The instrument can be used to monitor the key steps of the operator,and alert and feedback to the operation errors in the experiment in time.By the example of the experimental apparatus,this paper elaborates the design process and the hardware diagram and program flow chart of interactive apparatus.

收稿日期：2016-02-12

基金項(xiàng)目：煤炭高等教育實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì)課題(00201507)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0067-03

中圖分類號(hào)：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.019