一种数字化初中电学实验演示装置的制作方法

1.本发明涉及电学实验演示领域，尤其是一种数字化初中电学实验演示装置。


背景技术：

2.在初中电学实验的教学中，传统实验的读数显示多为指针式，里面是磁电或电磁式结构，所以动作较慢，显示精度差，有人为读数误差，灵敏度及准确度相对较低，过载能力较差。在教师进行教学的时候不方便学生进行更好的观察，无法直接显示在电脑端或教学仪器上，且不具备实时直观的实验数据的图表显示能力；现有技术实验数据大多为手计且单次记录，不能实时实现实验数据的分析和比较，实验演示效果不直观深刻。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
4.鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明所要解决的技术问题是现有技术实验数据大多为手计且单次记录，不能实时实现实验数据的分析和比较，实验演示效果不直观深刻。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种数字化初中电学实验演示装置，包括，传感单元，所述传感单元采集被测电路的电压或电流的模拟信号；采集单元，所述采集单元对各个模拟信号的采集分配优先级，并实时与处理单元通讯；处理单元，所述处理单元将采集单元上传的数据进行解析。
7.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述传感单元包括依次连接的数据信号采集放大电路、开关电路、信号处理电路、第一接口电路，所述传感单元采集的信号依次通过采集放大电路、开关电路、信号处理电路、第一接口电路传输至采集单元。
8.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述采集单元包括依次连接的第二接口电路、单片机电路、蓝牙电路，所述第二接口电路接收由第一接口电路传输的信号。
9.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：采集单元还包括电源电路，所述电源电路与单片机电路连接。
10.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述蓝牙电路通过蓝牙通信与处理单元连接。
11.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述信号采集放大电路包括低通滤波模块、与所述低通滤波模块连接的仪表放大器、与所述仪表放大器连接的转换模块，所述转换模块与开关电路电连接。
12.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述仪表
放大器连接有增益电阻。
13.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述信号处理电路包括单片机，所述单片机通过第一接口电路与采集单元的第二接口电路连接，所述第一接口电路与第二接口电路为type-c接口。
14.作为本发明所述数字化初中电学实验演示装置的一种优选方案，其中：所述电源电路包括锂电池管理芯片，所述锂电池管理芯片连接有滤波电路，滤波电路连接type-b给锂电池管理芯片进行充电，所述锂电池管理芯片还连接有显示模块；所述电源电路还包括电源芯片、电池保护芯片以及线性稳压芯片，电源芯片与锂电池管理芯片连接，电池保护芯片连接电源正负两极，线性稳压芯片为电路供电。
15.本发明的有益效果：读数在上位机以软件的方式实时读取，将实际的数值以软件模拟的表盘来呈现，可视度高，便于操作，以传统教学的方式可以同时显示电流以及电压传感器的读数；引入多媒体教学一体机来实现数字化和智能化的实验数据的分析和比较，可以实时直观地显示实验数据的相关图表与曲线，操作简单，并且可以保留历史数据，省略了手动记录的繁琐环节；通过传感单元采集数据，然后投影到现在已经普及的多媒体教学屏上，通过模拟普通仪表的表盘，实现数字化与传统的相结合，弥补传统仪表的不足，体现数字化带来的优势，同时配合高精度传感器，实现动态数据的精准与实时采集，解决了普通仪表的硬件带来的数据精度低和机械指针显示带来的人为读数误差，同时继承传统仪表的仪表读数，符合目前教学和考试的基本要求。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
17.图1为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置的示意图；
18.图2为本发明提供的第二种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置的示意图；
19.图3为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中仪表放大器原理示意图；
20.图4为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中电源芯片与锂电池管理芯片连接的示意图；
21.图5为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中数据信号采集放大电路图；
22.图6为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中开关电路图；
23.图7为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中开关电路中锂电池管理芯片电路的示意图；
24.图8为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中数据信号处理电路图；
25.图9为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中第一接口电路图；
26.图10为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中电源电路的锂电池管理芯片电路图；
27.图11为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中电源电路的电池保护芯片图；
28.图12为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中电源电路的电源芯片电路图；
29.图13为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中第一接口电路中串口转usb芯片电路图；
30.图14为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中第一接口电路中type-c电路图；
31.图15为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中单片机电路包括主控芯片电路图；
32.图16为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中蓝牙电路的蓝牙芯片电路图；
33.图17为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中“电阻一定，探究电流与电压关系”的实验界面图；
34.图18为本发明提供的一种实施例所述的数字化初中电学实验演示装置中“串联电路中的电流规律”的实验界面图。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
36.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
37.其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
38.再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
39.实施例1
40.参照图1，本实施例提供了一种数字化初中电学实验演示装置，包括传感单元100、采集单元200以及处理单元300，其中传感单元100采集被测电路的电压或电流的模拟信号，将电压/电流传感器即传感单元100接入被测电路中，采集的模拟信号先经过仪表运放电路进行数值的放大，再经过模拟开关进行量程的选择，接着进入单片机进行a/d的转换，最终通过type-c数据线，使用串口通讯将数字信号传入到采集板电路中，并实时地与采集单元
200通讯，实时响应采集单元200分发的命令。
41.进一步的，采集单元200对各个模拟信号的采集分配优先级，并实时与处理单元300通讯；具体的为，采集单元200端通过freertos嵌入式操作系统对各个信号的采集分配相应的优先级，通过嵌入式操作系统实时的处理每一个任务，并实时与上位机通讯，实时响应上位机下发的每一个处理命令。同时采集单元200集成了无线蓝牙传输，可远距离实现数据的实时传输，摒弃了传统的有线通讯，使得实验操作更加便捷。
42.进一步的，处理单元300将采集单元200上传的数据进行解析，应当说明的是，本实施例中处理单元300即上位机，上位机通过蓝牙可以实时与采集单元200进行通讯，并将采集单元200上传的数据进行解析，并实时的进行处理转化为数字化仪表显示，可实时采集，实时暂停，并保存历史数据，方便对比。
43.实施例2
44.参照图1～16，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：传感单元100包括依次连接的数据信号采集放大电路101、开关电路102、信号处理电路103、第一接口电路104，传感单元100采集的信号依次通过采集放大电路101、开关电路102、信号处理电路103、第一接口电路104传输至采集单元200。具体的，采集放大电路101对采集的信号数值进行放大，再经过开关电路102进行量程选择，然后通过信号处理电路103进行a/d的转换，最终通过type-c数据线，使用串口通讯将数字信号传入到采集单元200。应说明的是，本实施例中上位机即处理单元300。
45.进一步的，采集单元200包括依次连接的第二接口电路201、单片机电路202、蓝牙电路203，第二接口电路201接收由第一接口电路104传输的信号。采集单元200还包括电源电路204，电源电路204与单片机电路202连接。电源电路204为电路供电，蓝牙电路203通过蓝牙通信与处理单元300连接。
46.具体的，信号采集放大电路101包括低通滤波模块101a、与低通滤波模块101a连接的仪表放大器u9、与仪表放大器u9连接的转换模块101b，转换模块101b与开关电路102电连接，仪表放大器u9连接有增益电阻r33。其中，仪表放大器u9采用ad8226arz芯片。
47.本实施例以小量程为例，低通滤波模块101a包括电容c46，c52；电阻r30，r31；被测电流从in-端和0.6a端流入通过电容c46，c52，电阻r30，r31，进行低通滤波，然后通过电流采样电阻r32进入仪表放大器u9的-in端和+in端。仪表放大器u9采集电阻r32上的电压，并通过仪表放大器u9的rg端上增益电阻r33调节放大倍数，以gnd为仪表放大器u9的ref基准电压，最后仪表放大器u9的vout端输出放大后的电压。因此电压有可能为负，利用转换模块101b的电阻r34，r35，r36，r37，r38将电压抬高至正电压vout1，然后输出到开关电路102的模拟开关u12。
48.进一步的，信号处理电路103包括单片机u8，单片机u8通过第一接口电路104与采集单元200的第二接口电路201连接，第一接口电路104与第二接口电路201为type-c接口，单片机u8采用hc32f003c4pa主控芯片。
49.开关电路102包括模拟开关u12，其中单片机u8输出高低电平控制模拟开关u12的a，b端，来自动选择大小量程，选定合适的量程后模拟开关u12的x端选择输出模拟开关u12的x1、x2端，输出当前量程的电压经限流电阻r51输入到单片机u8的p26端vout mcu。其中模拟开关u12采用模拟开关cd4052b芯片。
50.单片机u8经过计算，把p26端的adc端口电压模拟量信号转化为数字量信号，再将信号经过处理从端口2、端口3与采集单元200的第二接口电路201进行串口通信，经type-c发送给采集单元200。
51.第一接口电路104通过a4，a9，b9，b4端接收采集单元200的3.3v供电，通过a6，a7，b6，b7端接收采集单元200的5v供电，通过rx，tx与采采集单元200进行串口通信，通过a5，b5进行插入检测。
52.第二接口电路201包括串口转usb芯片u5，串口转usb芯片u5的txd，rxd输入单片机u8串口信号，串口转usb芯片u5的ud+，ud-输出电脑usb信号。可将单片机u8的串口信号转成电脑可以读取的usb数据，通过type-b与电脑直连，其中串口转usb芯片u5采用ch340c芯片。串口转usb芯片u5采用串口转换芯片，型号为ch340c。
53.单片机电路202包括主控芯片u4，其中主控芯片u4采用hc32f072kata芯片，接收uart0，uart1，uart2，uart3，4个type-c中的串口数字信号，端子ain0、ain10、ain20、ain22用来传递模拟信号，用insert0，insert1，insert2，insert3作插入检测，单片机将这些数据进行整合处理，然后输出lpuart1串口信号与电脑通信。
54.蓝牙电路203包括蓝牙芯片u7，其中蓝牙芯片u7采用hc02芯片，蓝牙芯片u7通过端口1，2输入lpuart1串口信号给蓝牙模块，端口31，32连接发光二极管d7，d8来显示蓝牙当前状态。pc机程序开启会自动扫描蓝牙，可以将电压表，电流表的数据实时显示在多媒体屏幕上，并且可以自动绘制ui曲线图。
55.电源电路204包括锂电池管理芯片u2，锂电池管理芯片u2连接有滤波电路204a，锂电池管理芯片u2通过type-b充电，滤波电路204a包括电阻r8，电容c13，电容c14，其通过type-b充电，输入5v经r8，c13，c14进行滤波进锂电池管理芯片u2的4端子入芯片，输出4.2v给锂电池充电并实时监测电池电压，锂电池管理芯片u2采用的芯片型号为tc4056a。
56.滤波电路204a连接type-b给锂电池管理芯片u2进行充电，锂电池管理芯片u2还连接有显示模块204b，显示模块204b包括二极管d2，通过锂电池管理芯片u2控制二极管d2显示当前充电信息。
57.电源电路204还包括电源芯片u1、电池保护芯片u3以及线性稳压芯片u6，电源芯片u1与锂电池管理芯片u2连接，电池保护芯片u3连接电源正负两极，线性稳压芯片u6为电路供电。电源芯片u1是dc-dc电源芯片，采用的型号为：mt3608。电源芯片u1的端子4，5输入锂电池管理芯片u2的vout输出，芯片进行电压转化，并通过3端子稳定输出5v。
58.电池保护芯片u3的6端子接电池正，5端子接电池负，具有过充保护，过放保护，过流保护；电池保护芯片u3采用dw06d芯片。
59.线性稳压芯片u6的1端子接地，2端子输出3.3v，3端子输入5v,给电路提供3.3v电压，线性稳压芯片u6采用ams1117芯片。
60.本实施例中，通过传感单元采集数据，然后投影到现在已经普及的多媒体教学屏上，通过模拟普通仪表的表盘，实现数字化与传统的相结合，弥补传统仪表的不足，体现数字化带来的优势，同时配合高精度传感器，实现动态数据的精准与实时采集，解决了普通仪表的硬件带来的数据精度低和机械指针显示带来的人为读数误差，同时继承传统仪表的仪表读数，符合目前教学和考试的基本要求。
61.本实施例中，数字化初中电学实验演示装置包括基于嵌入式计算机技术的实验数
据的采集上传和基于pc的采集数据的显示和分析的二部分。
62.第一部分先将电压/电流传感器接入被测电路中，采集的模拟信号先经过仪表运放电路进行数值的放大，再经过模拟开关进行量程的选择，接着进入单片机进行a/d的转换，最终通过type-c数据线，使用串口通讯将数字信号传入到采集板电路中，并实时地与采集器通讯，实时响应采集器分发的命令。
63.然后采集器端通过freertos嵌入式操作系统对各个信号的采集分配相应的优先级，通过嵌入式操作系统实时的处理每一个任务，并实时与上位机通讯，实时响应上位机下发的每一个处理命令。同时采集器集成了无线蓝牙传输，可远距离实现数据的实时传输，摒弃了传统的有线通讯，使得实验操作更加便捷。
64.第二部分由上位机通过蓝牙可以实时与采集单元进行通讯，并将采集单元上传的数据进行解析，并实时的进行处理转化为数字化仪表显示，可实时采集，实时暂停，并保存历史数据，方便对比。
65.本实施例中：采集单元200的使用方法包括：将蓝牙电路203的蓝牙适配器插入电脑usb口(如果电脑自带蓝牙无需插入适配器)，在电脑端匹配我们的蓝牙，然后打开电脑上的数字化电学演示教师版软件，软件会自动和采集单元200建立连接，通过蓝牙进行通讯，采集单元200的另外四个tepy-c分别可接入不同的传感单元100，并接受传感单元100发送过来的数据，并转发到电脑软件端。此时电脑上会显示传感器测量得到的数据，可以进行测量，分析等操作。
66.其中，传感单元100为电压传感器时，将电压传感器接入采集单元200，并接入实验电路中，打开实验软件自动识别电压信号并显示，传感单元100存在量程范围，又正负之分，完美还原传统实验使用步骤，接入电路注意正负极，使用时注意电压传感器并联接入电路。
67.实验操作步骤为：以“电阻一定，探究电流与电压关系”以及“串联电路中的电流规律”两个实验为例：
68.本软件共设定了10门实验演示课程，可按照教师需求点击相应课程。进入实验一，可以醒目的看到与传统电压电流表一样的表盘，为了贴近课堂和考核要求，尽可能的贴近现实表盘，可根据屏幕大小显示出大小，解决了传统表盘小看不见，大不准确的问题。实现了课堂教学实验的同步进行，进行实践中教学，教学中实践的完美结合。点击电阻r可对电阻进行切换；点击开始，软件将显示电压表，电流表数据点击u-i曲线会将采集的数据显示在图表中
69.点击进入课件，可快速进入保存ppt课件的文件夹内，选择老师自己的课件或者系统内置的课件进行教学，也可根据个人习惯选择自己的ppt进行使用。
70.在首页可点击“串并联电路中电流规律”，进入后可看到如附图18中的界面，实验一为串联电路的电流规律的探究，实验二为并联电路的电流规律的探究，可根据实验步骤进行，也可老师自行点击进入课件按钮选择自己课件讲解。进入实验一，可进行串联电路中的电流规律的探究实验。单击开始，并进行记点，可看到数据显示时，可以探究串联电路中电流的关系。
71.重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本技术的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改
型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
72.此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
73.应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
74.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。