一種伽爾頓板遠程控制實驗系統的製作方法

2023-06-23 14:13:11

專利名稱：一種伽爾頓板遠程控制實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種遠程控制實驗系統，尤其涉及一種伽爾頓板遠程控制實驗系統。
背景技術：
一塊豎直固定的板上部釘有許多排列整齊的螺釘，板的下部用等長的木條豎直地隔成許多等寬的狹槽，板頂部的中央有入口處可以投入小球，板前面覆蓋透明板，使小球能存留在槽內，這種裝置叫作伽爾頓板，伽爾頓板實驗用於演示大量隨機事件的統計規律與漲落現象，說明物理學中統計與分布概念。具體實驗方法如下如果從板頂漏鬥形入口處放下一個小球，小球碰到板上邊第一排中某一螺釘後，偏向一方又落到第二排中某一螺釘 上，向左或向右偏移，接著再落到下一排某一螺釘上，這樣小球依次往下落，最後落入某一槽中，如此反覆進行幾次實驗，可以發現小球每次落入哪個狹槽是不完全相同的，這表明在一次實驗中小球落入哪個狹槽中是偶然的；如果同時投入足夠多的小球，就會出現落在各槽裡的小球數目各不相同的現象，落在中間槽內的小球最多，距離中間槽越遠的槽，小球落入的越少，用彩筆在玻璃板上畫一條連續的曲線來表示小球分布情況的分布曲線，如果多次重複地做下去，就會出現多次實驗所得的分布曲線彼此近似重合的現象，這表明，儘管一個小球落入哪個槽中是偶然的，但大量小球落入槽中的分布規律是確定的，遵循統計分布規律。物理教學中，上實驗課是必不可少的一個環節，而目前中國的教學模式普遍為先上理論課，後上實驗課，通常，理論課和實驗課都相隔一學期，存在理論教學與實驗教學嚴重脫節的現象；上實驗課時，教輔人員需要把實驗儀器從實驗室搬到課室或者學生需要過去實驗室，給上實驗課帶來諸多不便，導致上實驗課比較費時、費力；在傳統的實驗課上課模式中，實驗儀器和實驗室的使用受一定的空間限制，基本上本校的實驗儀器和實驗室只能供本校師生使用，其他學校的師生無法共享，這在實驗教學資源上是一種浪費。伽爾頓板實驗在物理教學中同樣存在上述的問題。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種伽爾頓板遠程控制實驗系統，具有實驗演示方便快捷、可共享實驗教學資源、物理教學中理論課與實驗課相結合的特點。本發明的目的通過下述技術方案實現本伽爾頓板遠程控制實驗系統，包括人機互動接口、上位機、下位機、攝像監控裝置和伽爾頓板實驗裝置，所述人機互動接口通過網絡與上位機相連，所述攝像監控裝置與上位機相連，所述上位機通過下位機與伽爾頓板實驗裝置相連。所述上位機包括主控微處理器和網絡通信模塊，主控微處理器分別與下位機、攝像監控裝置連接，主控微處理器還通過網絡通信模塊與人機互動接口連接；主控微處理器通過攝像監控裝置內置的圖像傳感器採集圖像數據，並將經JPEG格式編碼的圖像幀輸出，轉交由網絡通信模塊傳送到人機互動接口，供用戶實時查看，同時從網絡通信模塊接收數據，經過處理後利用RS232串行通信發送給下位機。所述伽爾頓板實驗裝置包括直流電機、槽門、導軌、上限位開關、漏鬥、螺釘、光電門傳感器、小槽、擋板、電磁閥、底座、下限位開關、移動拉繩、顯示屏、收球軌道、滑動槽、槽門開關和伽爾頓板，所述伽爾頓板、電磁閥和顯示屏分別安裝在底座的上面，所述漏鬥設於伽爾頓板上，所述螺釘和小槽分別設於伽爾頓板內，所述光電門傳感器設於小槽上端，所述直流電機安裝在底座內，所述擋板和收球軌道分別安裝在伽爾頓板下部，所述導軌安裝在底座側面，所述滑動槽與導軌通過移動拉繩連接，所述槽門設於滑動槽上，所述上限位開關設於導軌上部，所述下限位開關設於導軌下部。所述下位機包括相連接的第一單片機和第二單片機，第一單片機分別與上位機、伽爾頓板實驗裝置的光電門傳感器連接，第二單片機分別與伽爾頓板實驗裝置的顯示屏、下限位開關、上限位開關、電磁閥和直流電機連接。所述第一單片機的外圍電路包括若干組光電門信號處理電路和對若干組光電門信號進行邏輯與運算的與門電路，光電門信號處理電路與光電門傳感器一一對應連接，每 一個光電門傳感器負責一個槽的球數統計，與門電路對若干組光電門信號進行邏輯與運算後輸入到第一單片機的外部中斷。所述光電門信號處理電路包括對光電門傳感器信號進行放大的三極體，三極體的集電極與第一單片機的IO 口連接，三極體的基極與光電門傳感器的接收信號端連接。所述第二單片機通過模擬IIC通信接口與第一單片機連接。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果I、理論課與實驗課同步，克服了理論課和實驗課嚴重脫節的現象；遠程控制伽爾頓板實驗系統，可以讓上理論課的教師在教室裡通過網絡在終端計算機上直接控制和演示伽爾頓板實驗，理論與實驗同步，能使學生快速地理解和掌握理論知識。2、實現了教學資源共享，充分利用了實驗室教學資源；本校的伽爾頓板實驗儀器既可給本校師生演示實驗，其它學校的師生如有需要也可通過網絡共享其演示實驗，實現了教學資源共享，充分利用了教學資源，給廣大師生帶來了很大的方便。3、使用方便快捷，節約時間；上理論課的教師直接在教室裡而不需要過去實驗室就可以通過網絡控制和演示伽爾頓板實驗，學生如有需要上實驗課，也可以在自己宿舍裡通過網絡自己完成演示實驗，也不必要到實驗室去，為廣大師生節省了寶貴的時間。4、演示儀器不需搬到課室，減輕了教輔人員的工作負擔。5、系統操作簡單，可擴展性強，具有很好的應用價值；只需要一臺連接網際網路的電腦，通過人機互動接口的顯示界面即可作業系統，此外，系統可供連接網際網路的多臺電腦不同時間使用，可擴展性強，應用價值高。


圖I是本發明伽爾頓板遠程控制實驗系統結構框圖。圖2是伽爾頓板實驗裝置的結構示意圖。圖3是伽爾頓板實驗裝置的整體圖。圖4是下位機的結構框圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。如圖I所示，本發明伽爾頓板遠程控制實驗系統包括人機互動接口、上位機、下位機、攝像監控裝置和伽爾頓板實驗裝置，所述人機互動接口通過網際網路與上位機相連，所述攝像監控裝置與上位機相連，所述上位機通過下位機與伽爾頓板實驗裝置相連。所述上位機包括主控微處理器和網絡通信模塊，主控微處理器分別與下位機、攝像監控裝置連接，主控微處理器還通過網絡通信模塊與人機互動接口連接。主控微處理器通過攝像監控裝置內置的圖像傳感器採集圖像數據，並將經JPEG格式編碼的圖像幀輸出，轉交由網絡通信模塊進行網絡傳輸；同時可從網絡通信模塊接收數據，經過處理利用RS232串行通信發送給下位機。
0025]如圖2和圖3所示，所述伽爾頓板實驗裝置包括直流電機I、槽門2、導軌3、上限位開關4、漏鬥5、螺釘6、光電門傳感器7、小槽8、擋板9、電磁閥10、底座11、下限位開關12、移動拉繩13、顯示屏14、收球軌道15、滑動槽16、槽門開關17和伽爾頓板18，所述伽爾頓板18、電磁閥10和顯示屏14分別安裝在底座11的上面，所述漏鬥5設於伽爾頓板18上，所述螺釘6和小槽8分別設於伽爾頓板18內，所述光電門傳感器7設於小槽8上端，所述直流電機I分別安裝在底座11內，所述擋板9和收球軌道15分別安裝在伽爾頓板18下部，所述導軌3安裝在底座11側面，所述滑動槽16與導軌3通過移動拉繩13連接，所述槽門2設於滑動槽16上，所述上限位開關4設於導軌3上部，所述下限位開關12設於導軌3下部。伽爾頓板實驗裝置的工作過程如下開啟電源後，使伽爾頓板實驗裝置進入系統初始化，驅動電磁閥10關閉檔板，通過下限位開關12檢測滑動槽16是否在導軌3的最底端，如果滑動槽16不在最底端，則驅動直流電機1，通過移動拉繩13帶動滑動槽16到導軌3的最底端，系統接收到遠程發起的開始請求後，再確認一次以上的初始條件是否滿足，確保所有初始化工作準備完後，驅動直流電機I帶動滑動槽16沿著導軌3向上升，當上限位開關4檢測到滑動槽16到達最頂端時，則停止直流電機I工作，同時滑動槽16上的槽門2自動開啟，放出滑動槽16裡的小球通過漏鬥5進入伽爾頓板18內，當滑動槽16裡的小球進入伽爾頓板18時,會隨機掉進下面的某個小槽8,由於每個小槽8上都有一對光電門傳感器7，光電門傳感器會對掉入小槽8內的小球數進行計數，系統向遠程人機互動接口傳輸最新的小槽8內的球數分布，直至所有小球都進入了小槽8後，系統會驅動直流電機I帶動滑動槽16歸位到最底端，當滑動槽16歸位到最底端時，驅動電磁閥10打開檔板9，小球會沿著收球軌道15掉進滑動槽16內，至此，一輪實驗完畢，如果要重複進行多次實驗，重複以上過程即可。如圖4所示，下位機包括相連接的第一單片機和第二單片機，第一單片機分別與上位機、伽爾頓板實驗裝置的光電門傳感器連接，第二單片機分別與伽爾頓板實驗裝置的顯示屏、下限位開關、上限位開關、電磁閥和直流電機連接。第一單片機負責光電門傳感器信號的採集與處理，第一單片機的外圍電路包括13組光電門信號處理電路和對13組光電門信號進行邏輯與運算的與門電路，光電門信號處理電路與光電門傳感器一一對應連接，每一個光電門傳感器負責一個槽的球數統計，與門電路對13組光電門信號進行邏輯與運算後輸入到第一單片機的外部中斷；每組光電門信號處理電路包括對微弱的光電門傳感器信號進行放大的三極體，三極體的集電極與第一單片機的IO 口連接，三極體的基極與光電門傳感器的接收信號端連接。第二單片機通過模擬IIC通信接口接收第一單片機的控制信號，來控制電磁閥、直流電機和顯示屏，所述顯示屏可為液晶顯示屏。電磁閥採用繼電器進行控制，同時考慮到單片機IO 口的電流驅動能力不足，做用ULN2003對IO的電流進行放大。另外，直流電機的驅動採用LM298，同時考慮到電機使用的電源對單片機工作的影響，使用光耦進行隔離控制。所述第一單片機和第二單片機均採用AMTEL公司的AT89S52單片機，兩個單片機之間通過模擬IIC通信接口連接。由於IIC總線接口直接在組件之上，因此IIC總線佔用的空間非常小，減少了電路板的空間和晶片管腳的數量，降低了互聯成本，Iic總線是由數 據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發送和接收數據可以在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送,最高的傳送速率可達100kbps。在實驗過程中，第一單片機對上位機發送過來的指令進行判斷，並且對各個槽的小球數進行統計，其工作流程如下第一單片機開始運行後先初始化，然後等待上位機(ARM板)的啟動指令，當接收到上位機的啟動指令後，第一單片機通過模擬IIC接口將啟動指令轉發給第二單片機(即從機)；當第二單片機做好相應的實驗準備後，第一單片機開始監測各個槽的小球數的變化，隨時記錄、更新小球數，並將小球數通過RS232串口上傳至上位機；直至一輪實驗結束，第一單片機才又處於等待上位機命令的狀態。在實驗過程中，第二單片機的主要負責和第一單片機進行通信，驅動直流電機、電磁閥、上限位開關、下限位開關及顯示屏，其工作流程如下首先系統啟動後進行初始化，初始化的過程包括檢測下限位開關是否閉合，如果沒有則啟動直流電機進行復位；接著等待第一單片機的啟動信號，如果沒有接收到啟動信號則一直處於循環等待狀態，直到接收到啟動信號為止；接收到啟動信號後，則進行以下5個步驟1)電磁閥斷電，打開槽門，使槽內的小球收集到漏鬥A中；2)給電磁閥通電，關閉槽門；3)主電機通電，將漏鬥A傳送到裝置的頂部；4)上限位開關檢測到漏鬥到達頂部後，停止電機，同時通過機關使漏鬥A中的小球盡數落到漏鬥B中；5)伽爾頓板落球實驗開始。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於，包括人機互動接口、上位機、下位機、攝像監控裝置和伽爾頓板實驗裝置，所述人機互動接口與上位機相連，所述攝像監控裝置與上位機相連，所述上位機通過下位機與伽爾頓板實驗裝置相連。
2.根據權利要求I所述的伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於所述上位機包括主控微處理器和網絡通信模塊，主控微處理器分別與下位機、攝像監控裝置連接，主控微處理器還通過網絡通信模塊與人機互動接口連接；主控微處理器通過攝像監控裝置內置的圖像傳感器採集圖像數據，並經JPEG格式編碼的圖像幀讀出，轉交由網絡通信模塊進行網絡傳輸，同時從網絡通信模塊接收數據，經過處理後利用RS232串行通信發送給下位機。
3.根據權利要求I所述的伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於所述伽爾頓板實驗裝置包括直流電機、槽門、導軌、上限位開關、漏鬥、螺釘、光電門傳感器、小槽、擋板、電磁閥、底座、下限位開關、移動拉繩、顯示屏、收球軌道、滑動槽、槽門開關和伽爾頓板，所述伽爾頓板、電磁閥和顯示屏分別安裝在底座的上面，所述漏鬥設於伽爾頓板上，所述螺釘和小槽分別設於伽爾頓板內，所述光電門傳感器設於小槽上端，所述直流電機安裝在底座內，所述擋板和收球軌道分別安裝在伽爾頓板下部，所述導軌安裝在底座側面，所述滑動槽與導軌通過移動拉繩連接，所述槽門設於滑動槽上，所述上限位開關設於導軌上部，所述下限位開關設於導軌下部。
4.根據權利要求3所述的伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於所述下位機包括相連接的第一單片機和第二單片機，第一單片機分別與上位機、伽爾頓板實驗裝置的光電門傳感器連接，第二單片機分別與伽爾頓板實驗裝置的顯示屏、下限位開關、上限位開關和直流電機連接。
5.根據權利要求4所述的伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於所述第一單片機的外圍電路包括若干組光電門信號處理電路和對若干組光電門信號進行邏輯與運算的與門電路，光電門信號處理電路與光電門傳感器一一對應連接，每一個光電門傳感器負責一個槽的球數統計，與門電路對若干組光電門信號進行邏輯與運算後輸入到第一單片機的外部中斷。
6.根據權利要求5所述的一種伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於所述光電門信號處理電路包括對光電門傳感器信號進行放大的三極體，三極體的集電極與第一單片機的IO 口連接，三極體的基極與光電門傳感器的接收信號端連接。
7.根據權利要求4所述的伽爾頓板遠程控制實驗系統，其特徵在於所述第二單片機通過模擬IIC通信接口與第一單片機連接。
全文摘要
本發明涉及一種伽爾頓板遠程控制實驗系統，包括人機互動接口、上位機、下位機、攝像監控裝置和伽爾頓板實驗裝置，所述人機互動接口與上位機相連，所述攝像監控裝置與上位機相連，所述上位機通過下位機與伽爾頓板實驗裝置相連。本發明具有使用方便快捷、教學資源可共享、操作簡單等優點。
文檔編號G09B23/06GK102663929SQ20121011188
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者侯林濤, 朱輝文, 梁東海, 陳美鑾 申請人:暨南大學