劉成江 殷錫藝 張瑤 李天龍

摘要：文章介紹了基于LabVIEW的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)以“原電池電動勢測定”為例，通過軟件整體布局和仿真實驗編程，實現(xiàn)了實驗總開關(guān)控制、接線開關(guān)與電池類型選擇、電位差計操作與原理圖顯示以及檢流計與測量等模塊的功能。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；化學(xué)實驗；仿真系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0043-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

0 引言

化學(xué)實驗是學(xué)習(xí)化學(xué)知識和培養(yǎng)實驗技能的重要途徑，然而傳統(tǒng)實驗存在一些問題，如設(shè)備、材料和安全等方面的限制。因此，開發(fā)基于計算機仿真的化學(xué)實驗系統(tǒng)具有重要意義。LabVIEW作為一種強大的開發(fā)工具，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化編程，為化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的平臺。本文以“原電池電動勢測定”為例，設(shè)計了基于LabVIEW的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)包括實驗總開關(guān)控制模塊、接線開關(guān)與電池類型選擇模塊、電位差計操作與原理圖顯示模塊以及檢流計與測量模塊。通過軟件整體布局和仿真實驗編程，實現(xiàn)各設(shè)計模塊的功能。

1 化學(xué)仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計思路

首先，選用LabVIEW軟件，將實驗室操作場景和實驗所需器材進行建模和仿真，以便在虛擬環(huán)境中進行實驗[1]。同時，本系統(tǒng)設(shè)計立足整體布局，以保證系統(tǒng)組成部分能夠精準地模擬實驗操作流程、儀器功能等。為提升用戶體驗，使用CorelDRAW軟件設(shè)計程序面板的外觀，使其逼真地模擬實際的儀器、試劑和玻璃試管等，且保證界面清晰易懂，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，使學(xué)生獲得沉浸式實驗感受。

其次，在仿真系統(tǒng)的前面板上，選擇適合的控件來表示實驗中所使用的儀器和操作元素。通過添加數(shù)字顯示、開關(guān)按鈕、滑動條等控件，實現(xiàn)用戶與虛擬實驗系統(tǒng)的交互；通過調(diào)整控件的位置和順序，確保用戶能夠方便地操作系統(tǒng)，并獲得所需的實驗結(jié)果[2]。為實現(xiàn)虛擬儀器的程序化設(shè)計，本系統(tǒng)設(shè)計使用圖形化的程序框圖來構(gòu)建系統(tǒng)的功能模塊，并通過線連接它們，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和處理，使程序的邏輯結(jié)構(gòu)更清晰，易于理解和調(diào)試。

再次，通過模塊化和層次化的設(shè)計，將實驗中的每個儀器模塊獨立運行，并且可以作為其他模塊的一部分來使用，使系統(tǒng)具有靈活性和可擴展性，可以根據(jù)需要進行組合和調(diào)整，以滿足不同實驗的要求。

最后，在編程過程中，利用控件的屬性來獲取和設(shè)置其值，簡化程序框圖中的連線。通過調(diào)用控件的屬性，直接操作控件，而無需使用額外的變量來存儲和傳遞數(shù)據(jù)，以降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可讀性和可維護性。

2 以“原電池電動勢測定”為例的仿真實驗系統(tǒng)

2.1 軟件整體布局

整體框架如圖1所示。

在設(shè)計仿真實驗系統(tǒng)之前，首先要了解測量原電池電動勢和電極電勢的原理，以及使用電位差計進行電動勢測量的原理和操作步驟。為實現(xiàn)實際應(yīng)用目標，設(shè)計了4個選項卡的仿真實驗系統(tǒng)：

第一，儀器與試劑選項卡中，介紹使用的儀器和所需的試劑，讓學(xué)生了解實驗所需的工具和材料。

第二，仿真實驗選項卡設(shè)計中，在明確仿真實驗選項卡是整個系統(tǒng)核心部分的基礎(chǔ)上，展示電位差計的內(nèi)部原理圖和與實驗相關(guān)的控制按鈕和儀器[3]。通過與仿真實驗進行互動，學(xué)生可以模擬實際測量過程，加深對實驗原理和操作步驟的理解。

第三，實驗記錄與數(shù)據(jù)處理選項卡，可以提供記錄實驗結(jié)果和對數(shù)據(jù)進行處理的工具和方法，幫助學(xué)生整理和分析實驗數(shù)據(jù)。

第四，注意事項和反思選項卡，提醒學(xué)生在進行實驗時需要注意的事項，并鼓勵學(xué)生對實驗進行反思和總結(jié)，以提高學(xué)生的實驗技能和科學(xué)素養(yǎng)。

2.2 仿真實驗編程

2.2.1 實驗總開關(guān)控制模塊

為有效控制實驗，確保學(xué)生在實驗開始后操作儀器，避免錯誤操作和實驗混亂，對實驗總開關(guān)控制模塊進行設(shè)計，設(shè)計思路為：當開關(guān)斷開時，表示未進入實驗室，儀器不可操作；當開關(guān)閉合時，表示開始實驗，可以操作所有儀器。為實現(xiàn)設(shè)計目標，首先，將實驗總開關(guān)放置于循環(huán)框架外，無論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，實驗總開關(guān)的操作不會受到循環(huán)框架的影響。其次，通過設(shè)置初始值，確保在實驗開始之前，所有儀器都處于禁用狀態(tài)，防止學(xué)生在實驗未開始時操作儀器，避免任何意外事件的發(fā)生。最后，通過在每次實驗結(jié)束后進行重置操作來實現(xiàn)，使得下一次實驗開始時，所有儀器都處于初始狀態(tài)，可以重新進行操作。通過控制模塊的設(shè)計，有效保證儀器的操作狀態(tài)，提升了仿真實驗環(huán)境的真實性創(chuàng)設(shè)。

2.2.2 接線開關(guān)與電池類型選擇模塊

為使學(xué)生更方便地進行實驗儀器的連接，本系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用了直觀的視覺反饋。同時，通過判斷儀器是否已連接線，可以確保實驗回路的閉合性，并相應(yīng)地展示操作面板上的動作。

為方便學(xué)生操作，系統(tǒng)添加了開關(guān)按鈕，該開關(guān)按鈕操作位點擊連線式，在系統(tǒng)使用中，學(xué)生可以在點擊該按鈕后，在系統(tǒng)顯示屏幕上顯示出具體的連線信息?；诖耍瑢W(xué)生可以通過導(dǎo)入相應(yīng)圖片，顯示出不同的實驗狀態(tài)，提升了連線的直觀性、可操作性。

儀器連線的完整性是后續(xù)測量能否順利進行的先決條件[4]。因此，本系統(tǒng)設(shè)計中，需要設(shè)定條件：儀器是否連線成功。以此保證在連線完整的情況下，才能進行后續(xù)的測量步驟。

為適應(yīng)實際教學(xué)條件，系統(tǒng)還提供了兩種工作電源選項，即穩(wěn)壓電源和鉀電池。學(xué)生可以根據(jù)實驗需求選擇合適的電源類型，以便進行實驗操作，這樣可以提供更靈活的實驗環(huán)境，滿足不同實驗要求的需要。在學(xué)生點擊“電源類型”選擇開關(guān)時，穩(wěn)壓電源和鉀電池兩張圖片會交替出現(xiàn)。

2.2.3 電位差計操作與原理圖顯示模塊

在制作原理圖的過程中，本文考慮了以下幾點：

第一，統(tǒng)一性。應(yīng)保證原理圖顯示的信息與操作面板具有一致性，使按鈕能夠充分體現(xiàn)在原理圖中，且原理圖能夠真實、全面反映電路連接的情況。

第二，簡潔性。編程時將干擾線路進行淡化處理，突出主要的電路，以便學(xué)生能夠快速理解[5]。

第三，色彩和統(tǒng)一性。保證學(xué)生繪制原理圖時，原理圖色彩鮮明的特征。

除上述內(nèi)容外，為使學(xué)生能夠通過仿真實驗系統(tǒng)操作，更深入地理解電位差計的工作原理，本系統(tǒng)設(shè)計中采用了一種動態(tài)旋鈕的設(shè)計，以實現(xiàn)電位差計的仿真效果。具體制作過程如下：

第一，旋鈕控件。使用一個旋鈕狀布爾控件作為底層，通過修改布爾控件的樣式、顏色或透明度的方式，使布爾控件將不再具有可見的背景，從而將其編輯為透明狀態(tài)。同時將刻度值近似到整數(shù)，并將其置于布爾控件上方，使學(xué)生在旋轉(zhuǎn)布爾控件時，更直觀地了解當前選定的數(shù)值。

第二，狀態(tài)改變。當旋鈕控件轉(zhuǎn)動時，控件會檢測到旋轉(zhuǎn)的方向和程度，并將這些信息傳遞給相應(yīng)的處理程序，以不斷改變布爾控件的狀態(tài)，實現(xiàn)旋鈕的動態(tài)轉(zhuǎn)動效果。例如，當旋鈕順時針轉(zhuǎn)動時，布爾控件可以從關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)；當旋鈕逆時針轉(zhuǎn)動時，則可以從打開狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。

第三，同步轉(zhuǎn)動。為實現(xiàn)電位差計面板上旋鈕的操作與原理圖中轉(zhuǎn)輪上指針的刻度值同步轉(zhuǎn)動，使用公式節(jié)點將旋鈕控件的整數(shù)數(shù)值直接賦予原理圖中轉(zhuǎn)輪上指針的刻度值，確保旋轉(zhuǎn)旋鈕時，指針相應(yīng)轉(zhuǎn)動[6]。

第四，電流數(shù)值顯示。在本系統(tǒng)設(shè)計中，在原理圖上與電流回路進行精準化對應(yīng)，同時為保證仿真系統(tǒng)具有可視化特征，添加一個顯示框，用于顯示電流值，使學(xué)生在仿真實驗操作過程中，能夠明確實驗的原理。

2.2.4 檢流計與測量模塊

2.2.4.1 運算準備

為提高程序的可修改性、可維護性和可擴展性，在編程過程中，數(shù)據(jù)包括工作回路可調(diào)電阻Rj和測量回路可調(diào)電阻Rx。通過數(shù)據(jù)部分獨立編寫，可以對其進行修改和調(diào)整，而不必修改整個程序，使程序在更具靈活性的基礎(chǔ)上，程序能夠適應(yīng)不同的實驗需求和參數(shù)變化。

LabVIEW軟件中，工作回路可調(diào)電阻Rj自帶公式表示為：

[Rj=R1*240+R2*14.5+R3*1+R4*0.05]? ? （1）

[Rx=R1*1000+R2*100+R3*10+R4*1+R5*0.1+R6*0.01]? ?（2）

2.2.4.2 差值計算

電位差計的轉(zhuǎn)換開關(guān)是一個量表控件，它具有不同的狀態(tài)和相應(yīng)的對話提示框，以指導(dǎo)操作中可能出現(xiàn)的問題。通過調(diào)整電位差計的狀態(tài)，可以選擇適當?shù)臏y量范圍和精度，以便獲得準確的測量結(jié)果。在電位差計處于特定狀態(tài)時，可以使用25℃下標準電池的電壓。該方法可以模擬實際的測量過程，并簡化測量步驟。因此，通過比較實驗值和標準值，并觀察檢流計光標的擺動以及利用電位差計的轉(zhuǎn)換開關(guān)和相應(yīng)的對話提示框，可以在測量過程中進行校準和調(diào)整，從而簡化操作并獲得準確的測量結(jié)果。并將實際電流值與標準電流值I的差值作為結(jié)果輸出。

2.2.4.3 差值放大

差值放大器可以將差值信號放大到更合適的范圍，以便更精確地觀察和記錄實驗值與標準值之間的偏差大小。為簡化數(shù)據(jù)處理流程，本系統(tǒng)的前期計算中將計算后的差值進行一次放大[7]。由于差值通常在10數(shù)量級上，所以本系統(tǒng)設(shè)計選擇將其放大10倍，以得到更易于處理和觀察的數(shù)據(jù)。為準確反映電位差計的粗測和細測以及檢流計的不同檔位對應(yīng)的光標擺幅變化，分析檢流計實際擺動現(xiàn)象，并為每個檔位乘以適當?shù)姆糯蟊稊?shù)。

2.2.4.4 檢流計光標顯示及調(diào)零

為實現(xiàn)檢流計開關(guān)后光標的顯示效果，本系統(tǒng)使用了CorelDRAW繪制了與檢流計刻度相似但稍暗的圖片。當檢流計開關(guān)狀態(tài)為T時，即開關(guān)閉合時，圖片布爾顯示為透明狀態(tài)，從而顯示出背后的光標和刻度[8]。

2.2.4.5測量

為能夠在系統(tǒng)中有效調(diào)節(jié)可變電阻的數(shù)值，提升仿真實驗系統(tǒng)的精準性，本系統(tǒng)設(shè)計將放大后的數(shù)值轉(zhuǎn)化為信號。基于此，將信號輸入檢流計中，實現(xiàn)光標偏轉(zhuǎn)，提升仿真實驗的可視化操作。通過實驗操作發(fā)現(xiàn)，若檢流計的電流A值過大，則光標的偏轉(zhuǎn)速度會增加，且會出現(xiàn)左右晃動的情況。同時，伴隨有振幅減小、頻率減小的情況，直至停止。這種現(xiàn)象可能是由于檢流計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理所導(dǎo)致的。由于彈簧的彈性和質(zhì)量的慣性作用，光標在受到電流沖擊時會發(fā)生振動。隨著時間的推移，振幅和頻率會逐漸減小，最終停止在一個位置上。需要注意的是，在實驗操作中，應(yīng)該盡量避免將電流設(shè)置得過大，以免引起光標的過大振動。同時，也可以嘗試調(diào)整檢流計的靈敏度和阻尼來控制光標的振動情況。

2.3 仿真實驗系統(tǒng)調(diào)試

通過LabVIEW軟件，選擇了銅鋅電池、鋅甘汞電池以及鋅濃差電池進行測量，得到如下結(jié)果：1.085590V、0.980265V和0.032163V，該結(jié)果與既有研究成果得到的結(jié)果相符合[9]。

3 結(jié)束語

文章通過設(shè)計和實現(xiàn)基于LabVIEW的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)，使得用戶能在計算機上模擬進行各種化學(xué)實驗，并實現(xiàn)了實驗總開關(guān)控制、接線開關(guān)與電池類型選擇、電位差計操作與原理圖顯示以及檢流計與測量等功能。同時，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有簡單、直觀、安全、靈活的特性，能為學(xué)生提供學(xué)習(xí)化學(xué)實驗的便捷途徑。鑒于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于LabVIEW的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)必將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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