一种网络型电桥测电阻实验仪及操作方法与流程

1.本发明属于电子电路测试技术领域，具体涉及一种网络型电桥测电阻实验仪及操作方法。


背景技术：

2.惠斯通电桥是一种比较方法测量电阻的仪器，测量时将被测量与已知量进行比较得到测量结果，不从测量电路吸取电流，因而测量精度比较高。尽管各种电桥测量对象不同，构造各异，但基本原理和思想方法大致相同。因此，惠斯通电桥测电阻是大学物理实验中经典保留实验，如图1所示，是惠斯通电桥的原理图，图中r1、r2和r0是已知阻值的电阻，它们和被测电阻rx连成一个四边形，每一条边称作电桥的一个臂。四边形的对角a和b之间接电源e，对角c和d之间接检流计g，就像桥一样接通两边。
3.但实际教学中，由于学生人数的增加，任课老师无法监督每个学生的实验操作过程，导致过程考核成绩没有区分度，影响教学效果。传统型电桥通过滑动变阻器改变标准电阻r_0，经过长时间使用会出现滑动触头磨损和锈蚀，导致接触不良。实验操作过程中均是模拟物理量，易受外界干扰。


技术实现要素：

4.针对上述存在的不足，本发明提出一种网络型电桥测电阻实验仪及操作方法，解决了传统设备易受干扰、不稳定以及无法自动监测与评判学生的操作过程等缺点。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种网络型电桥测电阻实验仪，该实验仪包括外壳，所述外壳上表面嵌设有倍率波段开关、电阻波段开关、检流计以及待测电阻接口端，所述外壳内部设置有处理器、第一数字电阻、第二数字电阻、第三数字电阻、固定电阻以及电源模块，所述倍率波段开关和电阻波段开关成均与处理器内置模拟电压转换器连接，所述第一数字电阻与固定电阻串联构成第一电桥臂，所述第二数字电阻、第三数字电阻及待测电阻依次串联构成第二电桥臂，第一电桥臂和第二电桥臂之间并联检流计，并且两个电桥臂均与电源模块连接，所述第一数字电阻、第二数字电阻和第三数字电阻则分别与处理器连接。
7.优选的，所述第一电桥臂与检流计之间连接有第二运放电压跟随器，所述第二电桥臂与检流计之间连接有第一运放电压跟随器，所述检流计的两端分别连接一个差分运算放大器的正极输入端和负极输入端，所述差分运算放大器的输出端与处理器内置模拟电压转换器连接。
8.优选的，所述外壳内部还是设置有wifi通信模块，所述处理器通过wifi通信模块与外部上位机实现通信。
9.优选的，所述处理器采用stm32f103rct6处理器，所述wifi通信模块采用高度集成的esp8266wifi联网芯片。
10.优选的，所述电阻波段开关包括1ω波段开关、10ω波段开关、100ω波段开关及
1000ω波段开关，将倍率波段开关、1ω波段开关、10ω波段开关、100ω波段开关及1000ω波段开关的各触点串联电阻，并首尾接入0v和3.3v电压，处理器通过采样各触点电压的大小，即可识别出倍率波段开关、1ω波段开关、10ω波段开关、100ω波段开关及1000ω波段开关的各触点所对应的刻度位置，确定实验中的倍率选项以及电阻刻度值的大小。
11.优选的，所述第一数字电阻和第二数字电阻采用ad5272
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20k数字电阻，其最大电阻20k欧，离散间隔数1024，所述第三数字电阻则采用ad8400
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1k数字电阻，最大电阻1k欧，离散间隔数256；所述固定电阻的电阻值为200欧。
12.一种网络型电桥测电阻实验仪的操作方法，包括以下步骤：
13.步骤1：首先，在教室建立一个wifi局域网，实验仪通过wifi通信模块自动连接该wifi网络，同时上位机也连接该网络；
14.步骤2：将待测电阻接入实验仪后，调节倍率波段开关选择一个倍率值，调节电阻波段开关改变电阻刻度值，进行电桥平衡调节；
15.步骤3：处理器通过判断倍率波段开关的触点位置，识别出电桥倍率即k＝r1/r2，其中r1为固定电阻，其电阻值为200欧，r2为第一数字电阻，进而处理器设置第一数字电阻的阻值等于r1/k欧，即第一数字电阻的电阻值动态变化调制；
16.步骤4：处理器通过识别各档位电阻的1ω波段开关、10ω波段开关、100ω波段开关及1000ω波段开关的各触点的位置，串联相加得出r0的刻度值，r0表示桥臂电阻，根据r0的刻度值进而调节第二数字电阻和第三数字电阻的串联电阻值，使其与r0的刻度值相同即第一数字电阻、第二数字电阻和第三数字电阻的电阻值随着刻度值动态变化调整；
17.步骤5：随着上述操作状态，检流计两端的电压差通过差分运算放大器放大并输入至处理器内置模拟电压转换器，处理器实时测量检流计两端的差分电压，若差分电压为零时，则认定操作者实现了电桥的平衡调节，该测量待测电阻的过程节点评判为通过，处理器通过wifi通信模块将信号发送至上位机，上位机接收到信息后，将对应编号的实验仪中的待测电阻显示为绿色；
18.步骤6：操作者依次将剩余待测电阻接入设备后，重复步骤2～5，完成测量，同时由上位机保存每台设备操作完成情况，以便日后查询和登记成绩。
19.本发明的有益效果：本发明设计的网络型电桥测电阻实验仪其内部全部采用数字电路实现，实现了稳定可靠、实时监测评判操作过程。克服了传统设备接触不良，模拟电压不稳定以及无法监测操作过程等缺点，提高了教学效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为惠斯通电桥示意图；
22.图2为本发明的一种网络型电桥实验仪的应用场景；
23.图3为上位机界面显示图；
24.图4为本发明的一种网络型电桥测电阻实验仪的俯视图；
25.图5为本发明的一种网络型电桥测电阻实验仪的颞部框架图；
26.图6为电源模块的电路图；
27.图7为处理器的原理图；
28.图8为数字电阻及电桥原理图。
29.其中，1、处理器；2、倍率波段开关；3、待测电阻；4、第三数字电阻；5、第二数字电阻；6、检流计；7、第一数字电阻；8、固定电阻；9、第二运放电压跟随器；10、第一运放电压跟随器；11、差分运算放大器；12、wifi通信模块；13、1000ω波段开关；14、100ω波段开关；15、10ω波段开关；16、1ω波段开关；17、电源模块。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明具体提供了一种网络型电桥测电阻实验仪，如图4和图5所示，该实验仪包括外壳，所述外壳上表面嵌设有倍率波段开关2、电阻波段开关、检流计6以及待测电阻2接口端，所述外壳内部设置有处理器1、第一数字电阻7、第二数字电阻5、第三数字电阻6、固定电阻8以及电源模块17，所述倍率波段开关2和电阻波段开关成均与处理器1内置模拟电压转换器连接，所述第一数字电阻7与固定电阻8串联构成第一电桥臂，所述第二数字电阻5、第三数字电阻4及待测电阻3依次串联构成第二电桥臂，第一电桥臂和第二电桥臂之间并联检流计6，并且两个电桥臂均与电源模块17连接，所述第一数字电阻7、第二数字电阻5和第三数字电阻4则分别处理器1连接。
33.在本实施例中，所述第一电桥臂与检流计6之间连接有第一运放电压跟随器10，所述第二电桥臂与检流计6之间连接有第二运放电压跟随器9，所述检流计6的两端分别连接一个差分运算放大器11的正极输入端和负极输入端，所述差分运算放大器11的输出端与处理器1内置模拟电压转换器连接。
34.在本实施例中，所述外壳内部还是设置有wifi通信模块12，所述处理器1通过wifi通信模块12与外部上位机实现通信。如图2所示，网络型电桥组网应用如图2所示，每台网络电桥实验仪均可单独使用。若需要其网络监测功能，建立一个wifi无线网络和一台电脑即可。网络型电桥通过监测学生的3个测量节点，并自动评判学生每个节点的操作正确性，通过wifi网络将评判结果上传至电脑上位机，windows环境下的监测软件界面如图3所示。每台独立编号的网络型电桥将评判结果发送至电脑，电脑端接收到数据后进行显示，同时将信息保存至数据库，方便后续查询。每正确测量出一个阻值，一次标记为绿色“√”号，解决了教师无法掌握实验过程的问题。
35.处理器
36.在本实施例中，处理器1选用st公司的主流stm32f103rct6型号的芯片，该型号是一款基于armcortex
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m内核stm32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64kb，需要电压2v～3.6v，工作温度为
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40℃～85℃，工作速度72mhz。该处理器是设备的核心部件，负责波段开关位置的电压采样，数字电阻的控制等。
37.图7为处理器1的电路连接图，实时采集倍率波段开关2和电阻波段开关的输入，从而计算出相应的刻度值。同时根据输入的电阻刻度值，同步调整第二数字电阻和第三数字电阻的阻值。判断电流计表头两端的电压值是否小于10mv，则评判电桥调节平衡，测量正确并将信息发送至上位机电脑更新显示界面。
38.电阻波段开关
39.电阻波段开关实质上一个单刀多掷开关，包括1ω波段开关16、10ω波段开关15、100ω波段开关14及1000ω波段开关13，倍率波段开关、1ω波段开关16、10ω波段开关15、100ω波段开关14及1000ω波段开关13的各触点串联电阻，并首尾接入0v和3.3v电压，处理器1通过采样各触点电压的大小，即可识别出倍率波段开关、1ω波段开关16、10ω波段开关15、100ω波段开关14及1000ω波段开关13的各触点所对应的刻度位置，确定选择倍率波段开关2调节位置。需说明的是电阻波段开关调节的仅是刻度值的变化，并不实际改变电阻阻值。根据学生调节的刻度值，处理器调整第二数字电阻和第三数字电阻的阻值。
40.wifi通信模块
41.利用高度集成的esp8266wifi联网芯片，与电脑端的管理程序实现通信，实时传输实验者操作过程的信息，以便进行过程考察，解放了任课老师的工作量。
42.数字电阻
43.第一数字电阻7和第二数字电阻5采用ad5272
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20k数字电阻，其最大电阻20k欧，离散间隔数1024，所述第三数字电阻4则采用ad8400
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1k数字电阻，最大电阻1k欧，离散间隔数256；所述固定电阻8的电阻值为200欧。调节第一数字电阻7即改变桥臂电阻r2的大小，调节第二数字电阻5和第三数字电阻4即改变桥臂电阻r0的大小。
44.如图8所示，数字电阻与电桥的线路连接，u6为倍率臂上一个可变电阻，u4和u5两个数字电阻串联组成电桥臂的标准电阻，p8是检流计的接线座。差分运放ad620转换单端电压输出至处理器进行采样。
45.检流计
46.检流计6是一种指针式仪表，具有两个接线端，若两端的电压差等于零，检流计中没有电流流过，则指针指零。若两端有电压差，则检流计中有电流流过，指针发生偏转。
47.电源模块
48.图6给出了电源模块17的电路连接，9v的交流输入，经过两级线性稳压器az1117将电源电压稳定在3.3v的系统电压。
49.本发明还提供了一种网络型电桥测电阻实验仪的操作方法，包括以下步骤：
50.步骤1：首先，在教室建立一个wifi局域网，实验仪通过wifi通信模块12与上位机自动连接；
51.步骤2：将待测电阻3接入实验仪后，调节倍率波段开关2和波段开关，改变刻度值，进行电桥平衡调节；
52.步骤3：处理器1通过判断倍率波段开关2的触点位置，计算出电桥倍率即k＝r1/
r2，其中r1为固定电阻8，其电阻值为200欧，r2为第一数字电阻7，从而设置第一数字电阻7的阻值等于r1/k欧，即第一数字电阻的电阻值动态变化调制；
53.步骤4：处理器1通过识别各档位电阻的1ω波段开关16、10ω波段开关15、100ω波段开关14及1000ω波段开关13触点的位置，串联相加得出r0的刻度值，r0表示桥臂电阻，根据r0的刻度值进而调节第二数字电阻5和第三数字电阻4的串联电阻值，使其与r0的刻度值相同，即第一数字电阻7、第二数字电,5和第三数字电阻4的电阻值随着刻度值动态变化调整；
54.步骤5：随着上述操作状态，检流计6两端的电压差通过三级差分运算放大器11放大并输入至处理器1内置模拟电压转换器，处理器1实时测量检流计6两端的差分电压，若差分电压为零时，则认定操作者实现了电桥的平衡调节，该测量待测电阻3的过程节点评判为通过，处理器1通过wifi通信模块12将信号发送至上位机，上位机接收到信息后，将对应编号的实验仪中的待测电阻显示为绿色“√”号，因此实现了操作节点的监测，便于过程考核；
55.步骤6：操作者依次将剩余待测电阻3接入设备后，重复步骤2～5，完成测量，由上位机保存每次操作完成情况，以便日后查询和登记成绩。
56.本网络型电桥测电阻实验仪已经用于本科教学中，运行稳定可靠，测量准确，优化了本科课堂教学。为验证实验设备的准确性，我们将测量结果与4位半数字万用表的测量结果进行比较，电阻加工精度1％。
57.表1电桥测电阻实验数据表格
[0058][0059][0060]
由表1可以看出，实验数据准确可靠，其中测量值＝刻度值
×
倍率。实验仪属于原理性教学设备，侧重于稳定性和重复性，满足5％工程精度偏差即可。
[0061]
本发明设计的网络型电桥实验仪服了传统设备接触不良，模拟电压不稳定以及无法监测操作过程等缺点，采用完全数字化手段的设计电路，实现了稳定可靠、实时监测评判操作过程的新型实验设备。每台设备均可独立使用，联网监测功能自由选择应用，教学形式灵活。
[0062]
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。