具有自动评判功能的高校实验箱及方法与流程

1.本发明属于教学仪器技术领域，尤其涉及一种具有自动评判功能的高校实验箱及监测方法。


背景技术：

2.实验课程是高校教学的重要组成部分。实验操作不仅可以提高学生的动手能力，而且可以加深对理论知识的理解。
3.目前，高校开展实验课程采用两种实施方案，一种是基于虚拟实验软件系统的方案，一种是基于实物教学仪器的方案，后者正是传统试验箱所采用的方案。
4.虚拟实验软件系统，即在计算机上运行的虚拟仿真实验软件，学生通过鼠标、键盘等作为输入工具，其具有方便便捷，不受实验场地和硬件器材限制的优点，但其有一个显著缺陷，不能让学生实际动手进行连线、拨码等实物操作，违背实验课程设置的初衷。
5.实物教学仪器传统试验箱，它的功能单一且不具备自动评判的功能。学生使用传统实验箱进行实验时，课程完成率低。主要原因包括：1、实验整体操作步骤较多，学生通常在实验操作中因接线、拨码、按键等错误操作导致实验失败。2、传统实验箱的硬件功能区域较为独立，各区域硬件若发生故障无法定位排查。而当实验操作发生错误时，学生会反复核查接线、拨码等操作情形，查找实验失败的具体原因，并判断是否为实验箱本身的硬件故障所致，不仅严重影响学生实验的成功率，而且打击学生的学习积极性，最终影响教学进度。此外，传统实验箱存在有实验项目固化升级困难的问题，无法升级更新和拓展实验。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，提供一种具有自动评判功能的高校实验箱，用微机系统替代了传统实验箱的分立元件，能将实验操作进行数字化处理后，实时跟踪循环扫描实验操作的过程，可及时发现实验中的操作错误并给出错误提示。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该具有自动评判功能的高校实验箱，该实验箱包括电源监测及能源模块、操作监测模块、微机处理模块、数据通讯模块和液晶显示模块，所述液晶显示模块和所述数据通讯模块均分别与所述微机处理模块形成双向数据连接；所述操作监测模块和所述电源监测及能源模块均分别与所述微机处理模块形成单向数据连接；所述电源监测及能源模块为该实验箱提供稳定可靠的供电保障，并实时监测电源质量；所述操作监测模块用于将实验操作进行数字化处理，并将处理后数据传送给微机处理模块；所述微机处理模块用于处理监测模块送来的编码值并协调联动数据通讯模块和液晶显示模块；所述数据通讯模块用于与远程控制平台进行交互；所述液晶显示模块用于与操作者进行交互并显示各种数据、指令、操作。
8.采用上述技术方案，通过电源监测及能源模块、操作监测模块、微机处理模块、数据通讯模块、液晶显示模块相互配合协作，将实验操作数字化，经微机自动评判操作正确与否，其有助于提高实验操作的成功率，减轻教师评分的工作压力。
9.作为本发明的优选技术方案，所述微机处理模块通过串口方式和数据通讯模块进行交互。
10.作为本发明的优选技术方案，所述操作监测模块的数字化处理包括电压转换和状态量操作的监测；所述电压转换通过电阻网络进行编码分压，然后经过调理电路处理后，将电压值发送给adc模数转换单元，adc模数转化单元处理后的码值发送给所述微机处理模块；所述拨码和按键等状态量操作的监测通过开关量进行监测，经过防抖电路处理后，将开关量值发送给所述微机处理模块。
11.作为本发明的优选技术方案，所述数据通讯模块包括wifi或/和4g或/和zigbee或/和433mhz自组网。
12.本发明要解决的技术问题是，提供一种具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法。
13.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法，具体包括以下步骤：
14.s1：在实验选择区域，先选择当前实验编码，使用二进制表示；即实验一选择01，实验二选择10；开机后，系统会先扫描实验选择区拨码，读取其开关量，并将其开关量与预设编码作比较，根据比较结果跳转到对应的程序分支上，即执行该实验项目；
15.s2：依照实验要求，连接实验线；通过比对码值与存储器内预设的操作编码进行对比，判断操作是否正确；
16.s3：依照实验要求，操作各拨码开关，通过比对拔码操作开关量与预设开关量，判断操作是否正确；
17.s4：实验流程全部完成后，微机处理模块自动统计实验过程中出现的各种错误，并对照所述微机处理模块中存储的评分标准，生成实验操作得分，在液晶显示模块予以展示，并将实验操作过程中数据和实验结果通过数据通讯模块发送至远程控制平台进行进一步分析处理。
18.作为本发明的优选技术方案，所述步骤s2具体步骤包括：
19.s21：连接实验线后，操作监测模块会自动获得接线后的电阻网络分压值，再对分压值进行转化处理，将转化处理后的码值发送给微机处理模块；
20.s22：然后在微机处理模块中将码值与存储器内预设的操作编码进行对比，判断操作是否正确。
21.作为本发明的优选技术方案，所述步骤s21中操作监测模块的监测步骤包括：
22.s211：将接线操作的电路通过电阻网络进行编码分压，其中电阻网络编码分压的电路结构为电阻r1接电后连接电阻r2，所述电阻r2接地，接线位置a连接在所述电阻r1与所述电阻r2之间；同理，电阻r3接电后连接电阻r4，所述电阻r4接地，接线位置b连接在所述电阻r3与所述电阻r4之间；当接线位置a和接线位置b之间未连上线时，根据串联电阻原理，如公式(1)所示，获得接线位置a与接线位置b的电压值；接线位置a的电压值为2.27v，接线位置b的电压值为4.76v，
23.24.其中，v
in
是供电电压，ra是分压上臂电阻，rb是分压下臂电阻；v
out
即为电阻分压后中间点的电压值；
25.s212：经过调理电路的处理后，将电压值送给adc模数转换器，其采用负反馈运放电路作为调理电路；首先将接线位置a与接线位置b相连接形成通路，根据串联电阻原理，如公式(2)所示，获得并联后的等价电阻；其中，r5阻值等于r1和r3并联值，为r5＝0.5k；r6阻值等于r2和r4并联值，r6＝6.67k，
[0026][0027]
其中，rc和rd是两只并联电阻，r’是并联后的等价电阻；
[0028]
s213：采用adc模数转换器进行转化处理，获得转化码值，所采用的adc模数转换器为ti的tlc2453，为12bitadc，具有11个输入采集通道。
[0029]
作为本发明的优选技术方案，所述步骤s22中微机处理模块具体处理步骤包括：
[0030]
s221：首先对接收到的转化后的码值进行冒泡和取平均值处理，得到处理后的码值；
[0031]
s222：再设定一个有效窗口区，取
±
5个码值，然后将处理后码值和微机处理模块中预设的预期码值进行对比；
[0032]
s223：若处理后的码值与存储器内预设的操作编码一致，则判断为操作正确；实验继续，继续检测下一个实验操作动作；若转化后的码值与存储器内预设的操作编码不一致，则判断为操作错误，在液晶显示模块上显示操作错误提示；经修正操作错误后，操作错误提示自动消除。
[0033]
作为本发明的优选技术方案，所述步骤s3的具体步骤包括：
[0034]
s31：操作监测模块会自动获得拨码操作后的开关量，经过防抖电路处理后，将获得的拔码操作后的开关量发送给所述微机处理模块；
[0035]
s32：在所述微机处理模块内，将拔码操作后的开关量与所述微机处理模块内预设的开关量进行对比，判断操作是否正确；
[0036]
s33：若拔码操作后的开关量与所述微机处理模块内预设的开关量一致，则判断为操作正确；若不一致，则判断为操作错误，在液晶显示模块上显示操作错误提示，经修正操作错误后，操作错误提示自动消除。
[0037]
作为本发明的优选技术方案，所述s31中当开关没有闭合时得到的是高电平，开关量是1，当开关闭合时，得到的是低电平，开关量为0。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：该具有自动评判功能的高校实验箱用微机系统替代了传统实验箱的分立元件；将实验操作进行数字化处理后，实时跟踪循环扫描实验操作的过程，可及时发现实验中的操作错误并给出错误提示。同时，新一代实验箱提供了软件、硬件的升级接口，支持实验项目的升级拓展。该实验箱可涵盖“计算机组成原理”“模拟电路”“数字电路”“微机原理”“通讯原理”“单片机原理”“物联网运用”“高频电子”“电路基础”等实验课程。
附图说明
[0039]
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：
[0040]
图1是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的结构图；
[0041]
其中，1-电源监测及能源模块；2-操作监测模块；3-微机处理模块；4-数据通讯模块；5-液晶显示模块；6-adc模数转换器；7-接线操作区；8-状态量操作区；
[0042]
图2是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的原理图；
[0043]
图3是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法的流程图；
[0044]
图4是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法中接线操作的监测流程图；
[0045]
图5是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法中接线操作的监测的原理图；其中图5中的(a)为电阻网络编码分压的原理图；图5中的(b)为用导线将接线位置a和接线位置b相连后的电阻网络编码分压原理图；图5中的(c)为图5中的(b)的电路等同原理图；
[0046]
图6是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法中负反馈运放电路原理图；
[0047]
图7是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法中状态量操作的监测原理图；
[0048]
图8是本发明的具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法中微机处理模块处理流程。
具体实施方式
[0049]
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
[0050]
实施例：该具有自动评判功能的高校实验箱结构图如图1所示，该具有自动评判功能的高校实验箱原理如图2所示，该实验箱包括电源监测及能源模块1、操作监测模块2、微机处理模块3、数据通讯模块4和液晶显示模块5，所述液晶显示模块5和所述数据通讯模块4均分别与所述微机处理模块3形成双向数据连接；所述操作监测模块2和所述电源监测及能源模块1均分别与所述微机处理模块3形成单向数据连接；所述电源监测及能源模块1为该实验箱提供稳定可靠的供电保障，并实时监测电源质量；所述操作监测模块2用于将实验操作进行数字化处理，并将处理后数据传送给微机处理模块3；所述微机处理模块3用于处理监测模块送来的编码值并协调联动数据通讯模块4和液晶显示模块5；所述数据通讯模块4用于与远程控制平台进行交互；所述液晶显示模块5用于与操作者进行交互并显示各种数据、指令、操作；所述微机处理模块3通过串口方式和数据通讯模块4进行交互；所述操作监测模块2的数字化处理包括电压转换和状态量操作的监测；所述电压转换通过电阻网络进行编码分压，然后经过调理电路处理后，将电压值发送给adc模数转换单元，adc模数转化单元处理后的码值发送给所述微机处理模块3；所述拨码和按键等状态量操作在状态量操作区进行操作，通过开关量进行监测，经过防抖电路处理后，将开关量值发送给所述微机处理模块3；所述数据通讯模块4包括wifi或/和4g或/和zigbee或/和433mhz自组网。
[0051]
如图3-4所示，该具有自动评判功能的高校实验箱的监测方法，具体包括以下步骤：
[0052]
s1：在实验选择区域，先选择当前实验编码，使用二进制表示；即实验一选择01，实
验二选择10；开机后，系统会先扫描实验选择区拨码，读取其开关量，并将其开关量与预设编码作比较，根据比较结果跳转到对应的程序分支上，即执行该实验项目；
[0053]
s2：依照实验要求，在接线操作区域7连接实验线；通过比对码值与存储器内预设的操作编码进行对比，判断操作是否正确；
[0054]
所述步骤s2具体步骤包括：
[0055]
s21：连接实验线后，操作监测模块2会自动获得接线后的电阻网络分压值，再对分压值进行转化处理，将转化处理后的码值发送给微机处理模块；
[0056]
所述步骤s21中操作监测模块2的监测步骤包括：
[0057]
s211：将接线操作的电路通过电阻网络进行编码分压，其中电阻网络编码分压的电路结构为电阻r1接电后连接电阻r2，所述电阻r2接地，接线位置a连接在所述电阻r1与所述电阻r2之间；同理，电阻r3接电后连接电阻r4，所述电阻r4接地，接线位置b连接在所述电阻r3与所述电阻r4之间；当接线位置a和接线位置b之间未连上线时，根据串联电阻原理，如公式(1)所示，获得接线位置a与接线位置b的电压值；接线位置a的电压值为2.27v，接线位置b的电压值为4.76v，
[0058][0059]
其中，v
in
是供电电压，ra是分压上臂电阻，rb是分压下臂电阻；v
out
即为电阻分压后中间点的电压值；
[0060]
s212：经过调理电路的处理后，将电压值送给adc模数转换器6，其采用负反馈运放电路作为调理电路；首先将接线位置a与接线位置b相连接形成通路，根据串联电阻原理，电路等同于附图5中的(c)，如公式(2)所示，获得并联后的等价电阻；其中，r5阻值等于r1和r3并联值，为r5＝0.5k；r6阻值等于r2和r4并联值，r6＝6.67k，
[0061][0062]
其中，rc和rd是两只并联电阻，r’是并联后的等价电阻；
[0063]
s213：采用adc模数转换器6进行转化处理，获得转化码值，所采用的adc模数转换器6为ti的tlc2453，为12bitadc，具有11个输入采集通道；
[0064]
s22：然后在微机处理模块中将码值与存储器内预设的操作编码进行对比，判断操作是否正确；
[0065]
所述步骤s22中微机处理模块3具体处理步骤包括：
[0066]
s221：首先对接收到的转化后的码值进行冒泡和取平均值处理，得到处理后的码值；
[0067]
s222：再设定一个有效窗口区，取
±
5个码值，然后将处理后码值和微机处理模块3中预设的预期码值进行对比；
[0068]
s223：若处理后的码值与存储器内预设的操作编码一致，则判断为操作正确；实验继续，继续检测下一个实验操作动作；若转化后的码值与存储器内预设的操作编码不一致，则判断为操作错误，在液晶显示模块5上显示操作错误提示；经修正操作错误后，操作错误提示自动消除；
[0069]
s3：依照实验要求，操作各拨码开关，通过比对拔码操作开关量与预设开关量，判断操作是否正确；
[0070]
所述步骤s3的具体步骤包括：
[0071]
s31：操作监测模块2会自动获得拨码操作后的开关量，经过防抖电路处理后，将获得的拔码操作后的开关量发送给所述微机处理模块；所述s31中当开关没有闭合时得到的是高电平，开关量是1，当开关闭合时，得到的是低电平，开关量为0；
[0072]
s32：在所述微机处理模块3内，将拔码操作后的开关量与所述微机处理模块3内预设的开关量进行对比，判断操作是否正确；
[0073]
s33：若拔码操作后的开关量与所述微机处理模块3内预设的开关量一致，则判断为操作正确；若不一致，则判断为操作错误，在液晶显示模块5上显示操作错误提示，经修正操作错误后，操作错误提示自动消除；
[0074]
s4：实验流程全部完成后，微机处理模块3自动统计实验过程中出现的各种错误，并对照所述微机处理模块3中存储的评分标准，生成实验操作得分，在液晶显示模块5予以展示，并将实验操作过程中数据和实验结果通过数据通讯模块发送至远程控制平台进行进一步分析处理。
[0075]
具体地：电源监测及能源模块1，作用是为整个实验箱提供稳定可靠的供电保障。实时监测电源质量，当电压超过或低于设备允许工作范围后，自动切断供电，使用实验箱内部电池供电。当实验箱在没有市电环境下使用时，也可以使用内部电池提供电源。当有正常市电供应时，实验箱由市电供电并为内部电池充电。
[0076]
操作监测模块2，作用是将接线、拨码、按键等实验操作进行数字化处理，并将处理后数据传送给微机处理模块3。其中，实验中接线操作的监测流程见附图3：首先将接线操作的电路通过电阻网络进行编码分压，然后经过调理电路的处理后，将电压值送给adc模数转换器6，最后将adc模数转化器6处理后的码值送给微机处理模块。其中，电阻网络编码分压的原理见附图5中的(a)，图中a、b两点为接线位置孔，同时也为adc模数转换器6的采样端口。当a、b之间未连上线时，此刻，根据串联电阻原理，a点的电压值为2.27v，接线位置b的电压值为4.76v，公式(1)所示。
[0077][0078]
其中，v
in
是供电电压，ra是分压上臂电阻，rb是分压下臂电阻；v
out
即为电阻分压后中间点的电压值；
[0079]
采用负反馈运放电路作为调理电路；首先将接线位置a与接线位置b相连接形成通路，原理见附图5中的(b)，根据串联电阻原理，电路等同于附图5中的(c)，如公式(2)所示，获得并联后的等价电阻；其中，r5阻值等于r1和r3并联值，为r5＝0.5k；r6阻值等于r2和r4并联值，r6＝6.67k，
[0080][0081]
其中，rc和rd是两只并联电阻，r’是并联后的等价电阻。
[0082]
再根据串联电阻原理，公式(1)，得到接线位置a的电压值等于接线位置b的电压值
为4.65v。其中电压经过调理电路调理后送给adc模数转化器6，此处采用负反馈运放电路作为调理电路，原理见附图6，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，其放大倍数小于1而接近1，增加带负载能力。本发明选择的adc模数转换器6是ti的tlc2453，它是一颗12bitadc，具有11个输入采集通道，通过spi口将信号输出给微机处理模块，此处不限于使用该型号adc模数转化器。
[0083]
拨码和按键等状态量操作在状态量操作区8进行操作，其监测是通过开关量进行监测，经过防抖电路处理后，将开关量值送给微机处理模块3。状态量操作的监测原理见附图7，当开关没有闭合时io点得到的是高电平，开关量是1，当开关闭合时，io点得到的是低电平，开关量是0。
[0084]
微机处理模块3是整个实验箱的核心组件，其主要作用是处理监测模块送来的编码值并协调联动数据通讯模块4和液晶显示模块5。其处理流程见附图8：首先为了提高采样准确性，对该通道多次采样，接着将操作监测模块2送来的编码值进行冒泡和取平均值处理，即去除最大和最小值后，剩下数字取平均数处理，得到处理后码值；然后设定一个有效窗口区，这里取
±
5个码值。然后将处理后码值和微机处理模块3中预设的预期码值进行对比，两者在有效窗口区内一致即可判定实验操作正确。反之判定实验操作错误，最后将错误信息通过数据通讯模块和液晶显示模块输出。比如本方案中使用的是12bit的adc模数转换器6，adc满码值是4096。已知附图5中的(a)，a、b之间不接线时，接线位置a的电压值为2.27v，接线位置b的电压值为4.76v，即接线位置a悬空时码值为接线位置b悬空时码值为同样上文已知附图5中的(c)中ab连线正确时的电压值为4.65v，即ab连线正确时码值为故当a、b两通道处理后码均在3803到3813之间即可判为ab间接线操作正确。同理，当a通道处理后码在1854到1864之间即判为a通道悬空。当b通道处理后码在3893到3903之间即判为b通道悬空。当通道码值即不是悬空状态也不是接线操作正确状态，我们即认为其接线操作错误。此刻调用液晶显示模块5和数据通讯模块4，将错误信息发出。
[0085]
数据通讯模块4，作用是和远程控制平台进行交互。微机处理模块3通过串口方式和数据通讯模块交互。根据使用环境的需求，可选装多种模式的数据通讯模块，包括wifi、4g、zigbee、433mhz自组网等通讯模式。远程控制平台接收到实验箱上传的数据后，可进一步分析统计，展示一个单位下的实验成绩得分，实验完成时间，实验整体成功率，实验中某一步骤的成功率等。
[0086]
液晶显示模块5，作用是和操作者进行交互，主要用于显示实验操作步骤、显示操作错误提示、以及作为触摸键盘输入实验指令。液晶显示模块5使用的是组态屏系统，其操作流程是：首先在组态屏中预设显示内容并设定其变量地址，比如，先在液晶显示模块预设提示语句“接线操作错误”，并将该语句地址设定为0x0080。然后当微机处理模块3向液晶显示模块变量地址中刷新数据，即可更新显示内容。比如，微机处理模块往地址0x0080写1，即可在液晶屏上显示出“接线操作错误”的提示语句。同理往改地址写0，“接线操作错误”的提示语句隐藏不予显示。当实验需要输入数据时，可在液晶显示模块5中启动触摸键盘，在此键盘上输入即可，数据将由液晶显示模块5发送给微机处理模块3。
[0087]
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。