基于单片机的交互式智能实验仪器设计

李成龙

(安徽理工大学，安徽 淮南　230001)



基于单片机的交互式智能实验仪器设计

李成龙

(安徽理工大学，安徽 淮南230001)

摘 要：介绍了以单片机为核心，运用多种传感器硬件和单片机软件搭配，设计出交互式智能实验仪器，该仪器能在使用中监测实验者的关键操作步骤，对实验过程中的操作错误进行实时提醒与反馈。本文以实验仪为例，给出了具体的设计过程与交互仪器的硬件框图及程序流程图。

关键词：智能仪器；传感器；交互

物理学是一门实验科学[1]，大学基础物理实验，因涉及专业广、参与学生多、持续时间长而使仪器的利用率远远超过其它实验课。实验学生人数过多，非常不利于实验指导教师的教学指导和管理。因此尝试使用基于单片机的交互式智能实验仪器，以期减轻教师的实验指导工作。

1交互式教学仪器设计的缘由

设计用于教学的交互式智能仪器的想法由来已久。我校的物理实验教学现状基本是大规模流水线式的教学方式，实验教师在实验期间要指导近40位同学的实验操作，课中很难对每一位学生作出及时的指导、纠正。导致部分听课不认真的学生胡乱的操作仪器，不仅实验结果偏差大，而且经常损坏仪器。对于实验预习不足的班级，教师基本是忙的“焦头烂额”。这样的实验教学对大纲要求的“三基”(基本知识、基本方法、基本技能)的基本训练，特别是基本技能的训练缺乏深度。为了缓解、应对这样教学现状，提出了交互式实验仪器的设计概念。

2交互式实验仪器设计

如图1所示，为我校使用的Dp501型亥姆霍兹线圈磁场测量实验仪。该仪器采用了霍尔元件和STC89C52系列单片机[2]组成磁场测量系统，用于采集磁场的数据并输出至数码管显示，该仪器可以自动校零，自动平均数据。

该仪器自带单片机系统，因此有足够的硬件资源进行智能仪器设计改造，只需增加电流监测模块，即可提升仪器的交互性和智能性。

硬件改动：如图2所示，在仪器的两线圈中各增加一个电流测量模块，模块采用美信公司生产的高精密电流检测放大芯片MAX471，测量精度1 000 mV/A。该模块将电流转换为相应的电压量进行测量。单片机输出部分增加一块操作指示面板。电流测量模块与霍尔传感器磁场测量模块的信号，经12位模/数(A/D)转换后接入单片机，单片机处理后由仪器面板数码管显示相应的电流与磁场值。

改造后的仪器实验操作与改造前无任何区别。对操作者而言，仪器只是多出一块操作指示面板。如图2所示，指示面板上有许多LED指示灯，每个灯旁边都有相应的提示内容。如提示：“毫特表未调零”、“线圈电流反向，请检查接线”、“磁场值偏小，请检查传感器位置”、“电流过大！”、“电流过小！”、“单线圈通电中……”等等。

3软件程序流程

开机后，单片机运行，首先采集电流值与磁场值直接输出到仪器前面板的数码管显示。同时单片机主程序对仪器的现状进行判别：如果电流为零，而磁场值不为零，则提示“毫特表未调零”，即相应指示灯点亮，直到仪器操作中出现电流、磁场同时为零或近乎同时为零时，该灯熄灭；比较线圈电流的大小与方向，如果反向，则提示“线圈电流反向，请检查接线”；比较电流大小，提示“电流过大！”、“电流过小！”、“单线圈通电中……”；监测磁场值的偏差，如该实验仪器实验时取200 mA的电流，在此电流下在测量区域内则线圈的磁场最大不会超过0.9 mT，最小不会低于0.1 mT，因此可以根据单片机采集到的数据大于或小于这极限值的范围，同时结合此时流过线圈的电流值的大小和方向进行判别，并由指示面板提示“电流过大！”、“电流过小！”、“线圈电流反向，请检查接线”、“磁场值偏(大)小，请检查传感器位置”等等。

4结论

1、以硬件为基础的交互、反馈性实验仪器，在动手能力的训练中具有无可比拟的优势。用于实验预习、教学有明显的辅助效果，可以很快提高动手能力较差的学生的实验技能，值得推广使用。

2、本试制的仪器功能尚不完善，但该类仪器可以轻松实现软件升级，编制更加复杂的程序，来模拟指导各种复杂、多变的实验现场操作。

3、交互式系统造价低廉，维护简单。如果操作指示面板设计的巧妙合理，可让操作者一目了然。其适当的提示与纠正，能让实验顺利、准确的完成，使得实验中基本无需教师太多的指导。

参考文献：

[1]沈元华、陆申龙．《基础物理实验》[M].北京：高等教育出版社，2003(12):1.

[2]王建,宋永昌,魏福江．单片机实用技术[M].北京：机械工业出版社，2010(1):2.

[3]谭浩强．C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005(7):104.

[4]汤勤慧，等.智能角度传感器的应用设计[J].大学物理实验，2015，28(5)：76-79.

[5]李成龙.基于单片机增量式编码器的分光设计[J].大学物理实验，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

基金项目：煤炭高等教育实验室工作研究会课题(00201507)

文章编号：1007-2934(2016)03-0067-03

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.019