李成龍

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南　230001)

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基于單片機的交互式智能實驗儀器設(shè)計

李成龍

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南230001)

摘 要：介紹了以單片機為核心，運用多種傳感器硬件和單片機軟件搭配，設(shè)計出交互式智能實驗儀器，該儀器能在使用中監(jiān)測實驗者的關(guān)鍵操作步驟，對實驗過程中的操作錯誤進行實時提醒與反饋。本文以實驗儀為例，給出了具體的設(shè)計過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)是一門實驗科學(xué)[1]，大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗，因涉及專業(yè)廣、參與學(xué)生多、持續(xù)時間長而使儀器的利用率遠遠超過其它實驗課。實驗學(xué)生人數(shù)過多，非常不利于實驗指導(dǎo)教師的教學(xué)指導(dǎo)和管理。因此嘗試使用基于單片機的交互式智能實驗儀器，以期減輕教師的實驗指導(dǎo)工作。

1交互式教學(xué)儀器設(shè)計的緣由

設(shè)計用于教學(xué)的交互式智能儀器的想法由來已久。我校的物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀基本是大規(guī)模流水線式的教學(xué)方式，實驗教師在實驗期間要指導(dǎo)近40位同學(xué)的實驗操作，課中很難對每一位學(xué)生作出及時的指導(dǎo)、糾正。導(dǎo)致部分聽課不認真的學(xué)生胡亂的操作儀器，不僅實驗結(jié)果偏差大，而且經(jīng)常損壞儀器。對于實驗預(yù)習(xí)不足的班級，教師基本是忙的“焦頭爛額”。這樣的實驗教學(xué)對大綱要求的“三基”(基本知識、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)對這樣教學(xué)現(xiàn)狀，提出了交互式實驗儀器的設(shè)計概念。

2交互式實驗儀器設(shè)計

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

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

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

改造后的儀器實驗操作與改造前無任何區(qū)別。對操作者而言，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，請檢查接線”、“磁場值偏小，請檢查傳感器位置”、“電流過大！”、“電流過小！”、“單線圈通電中……”等等。

3軟件程序流程

開機后，單片機運行，首先采集電流值與磁場值直接輸出到儀器前面板的數(shù)碼管顯示。同時單片機主程序?qū)x器的現(xiàn)狀進行判別：如果電流為零，而磁場值不為零，則提示“毫特表未調(diào)零”，即相應(yīng)指示燈點亮，直到儀器操作中出現(xiàn)電流、磁場同時為零或近乎同時為零時，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，請檢查接線”；比較電流大小，提示“電流過大！”、“電流過?。　?、“單線圈通電中……”；監(jiān)測磁場值的偏差，如該實驗儀器實驗時取200 mA的電流，在此電流下在測量區(qū)域內(nèi)則線圈的磁場最大不會超過0.9 mT，最小不會低于0.1 mT，因此可以根據(jù)單片機采集到的數(shù)據(jù)大于或小于這極限值的范圍，同時結(jié)合此時流過線圈的電流值的大小和方向進行判別，并由指示面板提示“電流過大！”、“電流過??！”、“線圈電流反向，請檢查接線”、“磁場值偏(大)小，請檢查傳感器位置”等等。

4結(jié)論

1、以硬件為基礎(chǔ)的交互、反饋性實驗儀器，在動手能力的訓(xùn)練中具有無可比擬的優(yōu)勢。用于實驗預(yù)習(xí)、教學(xué)有明顯的輔助效果，可以很快提高動手能力較差的學(xué)生的實驗技能，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現(xiàn)軟件升級，編制更加復(fù)雜的程序，來模擬指導(dǎo)各種復(fù)雜、多變的實驗現(xiàn)場操作。

3、交互式系統(tǒng)造價低廉，維護簡單。如果操作指示面板設(shè)計的巧妙合理，可讓操作者一目了然。其適當(dāng)?shù)奶崾九c糾正，能讓實驗順利、準確的完成，使得實驗中基本無需教師太多的指導(dǎo)。

參考文獻：

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

[2]王建,宋永昌,魏福江．單片機實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010(1):2.

[3]譚浩強．C程序設(shè)計[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[J].大學(xué)物理實驗，2015，28(5)：76-79.

[5]李成龍.基于單片機增量式編碼器的分光設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，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

基金項目：煤炭高等教育實驗室工作研究會課題(00201507)

文章編號：1007-2934(2016)03-0067-03

中圖分類號：O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.019