实验研制（通用9篇）
实验研制 篇1
摘要：普通的TIG焊可焊熔深浅, 生产效率低, 近来, TIG焊用活性剂受到人们越来越多的关注, 本文通过正交试验研制出的TIG焊用活性剂可一次焊透8mm厚奥氏体不锈钢对接钢板, 在相同焊接工艺参数下其熔深是普通TIG焊的3倍多。
关键词：TIG焊,活性剂,正交试验
TIG焊由于可获得高质量的焊缝, 目前已广泛应用于机车、航空航天、化工和纺织等重要工业领域中, 但由于TIG焊单道可焊熔深深度浅, 在不开坡口不填充焊丝的情况下, 单道可焊厚度在3mm (不锈钢, 氩气保护) 以下, 对于厚大件往往需要开坡口焊接, 限制了TIG焊的应用。二十世纪六十年代, 乌克兰的巴顿焊接研究所研制出一种新的焊接工艺-A-TIG焊, 据称与常规的TIG焊相比, 焊缝熔深提高1-3倍[1-2]。A-TIG焊技术的关键就是活性剂的研制, 目前, 英、美和日本等国正在加大对活性剂的研制研究力度, 并已投入生产使用[3]而我国在这方面的研究还处于起步阶段, 还远没达到实用阶段, 而活性剂的研制工作需要进行大量的工作, 正交试验正是一种科学高效的试验方法, 它能通过少量的试验得到较准确的试验数据, 在科研领域中得到了广泛的应用.本试验采用正交设计从增加焊缝熔深效果方面考虑确定最佳活性剂成分。
其中, S因, S误分别为因素和实验误差的变动平方和
注:查得F0.25 (2, 5) =1.85, 表中*表示因素有显著影响, 因子的下标是因子的水平.
1 试验材料和方法
试验中采用的被待焊材料为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢, 试样尺寸为500×20×8mm, 焊前将两钢板对接点固, 不留间隙。
试验采用正交试验来确定活性剂的最佳配方, 首先选择试验因素及确定因素的水平数, 然后选择适当的正交表进行表头设计, 根据所选正交表和因素的水平配制活性剂进行正交试验, 最后对试验数据进行正交方差分析确定活性剂的最佳配方。
2 试验结果分析
正交试验具体步骤如下:
(1) 因素的选择与水平的确定
氧化物与卤化物都能使焊接电弧产生收缩, 起到增加焊缝熔深的目的, 本试验选取Na F、Ca F2、Ti O2和锰铁等作为活性剂的基本成分.考虑到目前对活性剂增加焊缝熔深的机理还没有明确的定论, 氧化物与氟化物起主要作用的机理有可能不同, 因此, 试验中固定其它成分不变, 选取一种氟化物Na F与一种氧化物Ti O2及锰铁作为因素进行三水平的正交试验, 分别以A、B、C表示.各因素所选水平见表1所示。
(2) 正交表的选择和表头设计
这次试验共有三个三水平的因子, 采用L9 (34) 正交表, 表头设计见表2, 在表头设计中没有考虑各因子之间的交互作用。
(3) 活性剂的配制
根据所选正交表与各因素的水平配制活性剂, 共有九种配方, 分别编号F1~F9, 用丙酮将活性剂调和成浆糊状, 分别涂在试验钢板的一侧, 另一侧不涂活性剂, 然后进行焊接, 焊接工艺参数见表3, 焊后观察比较不涂活性剂时焊缝熔深h0与涂有活性剂时焊缝熔深h, 并重复两次试验, 得出试验结果h/h0, 进行正交方差分析, 得到最优的活性剂配方。
在相同的焊接工艺参数下涂有活性剂的焊缝熔深h与未涂活性剂的焊缝熔深h0, h/h0的值见表4。
根据上表试验数据进行分析统计, 对各因素的显著性进行方差分析。首先由式 (1) 计算各因素的F因值, 然后与某一显著水平α的F分布值Fα相比较, 若F因大于Fα则认为因素的影响是显著的, 否则就认为因素的影响是不显著的。
f因, f误分别为因素和实验误差的变动平方和的自由度。
S因的计算方法见式 (2) :
其中, Ⅰi, Ⅱi, Ⅲi, 分别为i列1, 2, 3水平数据之和
T-全部数据的总和;
P-水平重复数;
K-重复试验次数。
各因素的变动平方和Si的自由度fi可按式3计算,
本实验是重复二次试验, 总的实验误差包含空列误差Se1和重复试验误差Se2, 即:
Se=Se1+Se2
Se1的计算方法同式 (2) 。
Se2的计算见式 (4) 。
式中, y-h/h0的值
m-试验条件数
k-重复试验次数
误差变动平方和的自由度计算公式为:
fe1的计算同式3,
fe2=m× (K-1)
式中, m=试验条件数
K=重复试验次数
取显著水平α=0.25, 列出方差分析表, 对各因子作显著性检验, 见表5。
从表5中试验数据可以得到, 在所研制的活性剂配方中, 氟化钠与氧化钛的含量分别在10%-30%和7%-17%之间时, 认为对焊缝熔深的影响不显著, 锰铁的含量对焊缝熔深有显著影响, 当活性剂中锰铁含量为13%时, 活性剂的效果最好.因此, 从增加焊缝熔深方面来说, 活性剂的最佳配方。为ABC2需要说明的是, 此试验结论只适用于本试验中的活性剂配方, 另外, 并不是氟化钠和氧化钛对增加熔深没有作用, 只是氟化钠与氧化钛的含量在试验范围内变化时, 焊缝熔深没有明显的变化, 这同时也表明, 试验中根据经验所选的活性剂中各化合物的含量是效果较好的。
综合考虑活性剂对焊缝表面成型的影响及其脱渣性能, 最终确定活性剂的成分.使用此活性剂在表3的焊接规范下, 可一次焊透8mm厚的奥氏体不锈钢对接板, 焊缝熔深是相同焊接规范下普通TIG焊的3倍多, 如图1所示。
3 结论
3.1本试验中, 氟化钠与氧化钛的含量在10%-30%和7%-17%之间时, 焊缝熔深的变化不大, 锰铁含量为13%时, 焊缝熔深达到最大值。
3.2通过正交试验所研制的活性剂可一次焊透8mm厚奥氏体不锈钢对接钢板, 在相同焊接工艺参数下其熔深是普通TIG焊的3倍多。
参考文献
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实验研制 篇2
关键词：油藏渗流物理实验 仿真实验 系统结构 建构主义
中图分类号： G 642. 0 文献标志码：A
文章编号： 1006-7167（2013）03-0140-03
目前，研究开发以计算机技术为基础的仿真物理实验系统并应用于实验课程的教学已经成为大学实验教学改革的研究热点之一[1]。《油藏渗流物理实验》课程实验内容包括石油工程专业的两门专业基础课—《油层物理》与《渗流力学》的主要知识要点，其任务是通过各种实验、教学环节，使学生掌握基本概念、基本理论、基本计算方法和基本实验技能，为后续课程学习及工作打下良好的基础。课程内容多、涉及面广、内容较抽象、学习难度大，教学学时少，需要课堂教学与实验教学紧密结合（李爱芬，2011）。因此，如何以先进的学习理论和技术手段指导《油藏渗流物理》高效的教学、实验活动是目前石油工程专业教学的研究热点。
文献调研表明，仿真实验教学系统已在体验式英语教学、计算机硬件组装教学以及大学物理实验课程中得到了成功应用。仿真实验是基于物理学、教育技术学、软件开发等相关学科的理论，利用计算机创设一个可视化操作环境，模拟真实实验操作并进行相关知识与技能的学习。在这种环境下，学生可以不受时空限制自主地进行物理实验的预习与复习，教师也可以根据需要开展部分物理实验内容的教学，达到提高大学物理实验课程教学质量的目的[3～5]。通过调研国内外多所大学、科研院所及实验室，发现一个共同特点：目前国内大学的实验教学仅局限于实验室，而且存在实验资源不足，教师资源有限的问题。随着大学生在校人数的逐年攀升，实验硬件系统不足、师生比例矛盾愈发突出。通过中国知网（CNKI）的关键词检索（截至2013年4月），以“仿真实验”为关键词的文献有110435篇，其中关于物理实验（主题）的有2334篇；以“仿真虚拟实验”为主题的文献有2095篇，关于物理实验方面的有175篇；以“Solidworks”为关键词的文献有12920篇，可以看出仿真实验在各个学科领域得到了广泛应用和发展，是当前物理实验教学的有力补充和研究的热点[7～8]。
1.油藏渗流物理仿真实验系统建构主义基础
建构主义的普遍性原理对于传统石油专业课程教学的改造与革新所取得的成就也是有目共睹的。近些年，以学生为中心（student-centered）的教学理念不断发展，它是前苏联心理学家维高斯基（Vygotsky）、美国教育学家杜威（John Dewey）及瑞士心理学家皮亚特（Jean Piaget）所提倡的教学理念[2]。从建构主义的角度理解，石油工程专业的基础课程—《油藏渗流物理》的理论学习和实验操作是学生基于自身以前的物理、化学知识基础对油藏渗流物理知识进行主动性的选择和接收，然后建构自己知识的过程。
基于建构主义教学思想和体验式学习理论，体验式《油藏渗流物理实验》教学模式强调以学生为教学中心，以体验性教学为特点，充分发挥学生在实验过程中的主观能动性，培养学生自主学习的能力。《油藏渗流物理实验》仿真教学系统从效果上实现生动教学体验，从教育理念上，实现建构主义学习过程的四大要素（情境、协作、会话和意义建构）的协作互补的作用优势，可以有效调动学生学习油藏渗流物理实验兴趣和积极性，营造多元化的物理实验学习氛围，使实验教学在空间上和时间上得以延伸具有良好的应用前景[6]。
2.仿真实验系统结构及模块化组成
仿真实验系统主要用于物理实验基础理论的深化、物理实验流程的预习以及物理实验报告生成。同时，考虑到充分发挥学有余力学员的创新、创造能力，提供一个相对比较灵活、具有一定自主性的拓展实验模块。根据开发目的，仿真系统主要包括以下模块：
（1）实验元器件建模模块：实验元器件是整个物理实验的基础组成部分，仿真系统根据物理实验内容及类型，调研油藏渗流物理实验装置及设备属性参数，应用Solidworks/3D Max等三维CAD系统软件构建油藏渗流物理实验设备全三维物理模型，包括高压气瓶、岩心夹持器、压力表、泵、恒温箱、连接管线等设备。
（2）物理实验流程建模模块：仿真实验系统中的每一个实验项目均按照真实实验操作的流程进行。根据特定实验内容和要求，分别以岩心、油/水流体等作为建模主体，按照室内物理实验操作流程，构建计算机仿真实验系统运行机制及实验流程，为仿真实验系统的操作模块提供保证。
（3）仿真实验内容主体模块：
油藏渗流物理仿真实验系统。根据实验教学大纲要求，该系统主要包括实验理论模块、实验操作模块和拓展实验模块。
①实验理论模块包括：实验目的、实验原理、实验装置介绍、实验内容与步骤等部分。
②实验操作模块根据真实实验操作流程，基于二维图形编辑的动态调度，应用Flexsim建立物理实验仿真流程模拟模块。
③拓展实验模块是除油藏渗流物理基础教学实验之外，面向高年级用户提供创新性实验设计与流程组装的拓展模块，可以为用户创新思维提供仿真实验验证的渠道。
3.开发工具选择及系统实现
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、大[TPAC1093.TIF，BP]
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[TS（][JZ]图2 仿真实验系统逻辑流程图[TS）]
连理工大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学。SolidWorks软件功能强大，组件繁多。SolidWorks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用[11]。
本系统以Solidworks为平台，并借助Potoshop、3DMAX、VC等工具软件，调用Windows的编程接口应用程序（API）开发而成。根据仿真实验的基本原理和软件工程思想，仿真系统运行模型逻辑流程如图所示：
4.仿真系统特点及发展趋势
（1）设备元件三维拟真性强，操作性真实感强。利用三维建模软件，对实验器材、设备及元件进行精确建模，利用图形虚拟现实技术，严格、细致、动态地模拟实验场景和实验过程，真实感强。
（2）高度交互性及实验流程逼真。充分利用交互式操作方式，学员仅需通过鼠标的点击、拖动即可完成由计算机模拟一定条件下的实验过程，包括实验流程的组装、元件选取、实验条件的改变、数据采集及实验报告的生成。
（3）规范性及标准化操作。仿真系统有检测判定模块，检查操作、测量数据的正误。只有操作、测量正确，才能进入下一步，否则，系统出现操作提示，犹如实验指导教师随时全程监控，保证实验严格按照步骤进行。
（4）充分发挥学员创新能力的拓展实验模块。在完成基础教学任务和大纲要求基础上，仿真系统提供拓展实验模块，为学有余力学员提供拟真性强、灵活组装的拓展实验功能，丰富和发展创新实验内容。
从功能上看，仿真实验系统基本上满足日常实验教学的预习、实验原理的理解以及实验操作、组装的计算机化，尚缺少复杂科研实验的具体的设计模块以及相应操作指导，同时，下一步发展方向将提供网络接口，方便学员通过PC电脑、平板电脑等用户终端连接互联网对仿真系统进行远程访问，进一步发挥仿真实验系统不受时空限制的独特优势。
参考文献：
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[2]李爱芬.渗流物理实验.东营：中国石油大学出版社，2011.
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[4]卢云，蒋爱莲，王明东.物理实验的计算机仿真实验的介绍.装备指挥技术学院学报，1996，23（6）.
[5]韦志锋，秦先明，王维平.物理实验仿真教学系统的研制.重庆工业高等专科学院院报，2005，23（6）.
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[7]景敏言，何莲珍.基于信息网络的大学英语创新教育[J].中国高教研究，2004，32（9）.
[8]王岳寿. 试谈现代远程教育[J].石油教育，2001，12（5）.
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[10]朱红东，张艳.个人教学辅助网站的教育优势及其建构主义理论基础[J].文教资料，2006，32（12）.
[11]百度百科：Solidworks， http：//baike.baidu.com/view/31530.htm.
实验研制 篇3
《计算机控制技术》课程在自动化专业教学计划中是一门重要的专业课。其主要任务是使学生获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生在了解计算机控制系统的基本控制方法的基础上,掌握用C语言程序设计控制系统的方法。培养学生独立进行计算机控制系统实验的技能,从而使学生掌握计算机控制系统的一般工程设计方法。
作为一门工程性很强的自动化专业课程,一直以来在我系微机原理实验室做计算机控制技术实验内容显然不行[1]。因此,从2002年初起,我系开始计划筹建计算机控制技术专业实验室。在筹建的过程中,我系对国内很多大学正在使用或市场上销售的计算机控制实验装置进行了考察,结果发现它们在实验教学功能上普遍存在两点不足:一是实验内容陈旧;二是不能体现工业控制计算机在实际工程应用中的特点。最终未能找到合适的面向自动化专业工程实际的计算机控制实验教学装置。2003年3月,我系该项目负责人决定自主设计计算机控制实验内容并开发相应的实验装置。经过多次对实验内容及样机进行修改后,批量生产1 7台计算机控制技术实验装置装备我系计算机控制技术实验室,2004年10月首次用于2000级自动化专业本科生的计算机控制技术课程实验教学,学生普遍反映实验内容工程性强,实验教学效果良好[2]。
2 实验内容的设计
对于工业控制计算机作为计算机控制系统的核心来说,首先在实验教学中应体现其作为工业控制器的特点,只有这样,才能让学生充分理解工业控制计算机的硬件特性和功能[3]。其次,要面向自动化专业的学生,将实验内容与工程实际结合起来,以提高学生的学习兴趣,培养学生的工程意识。此外,考虑到学生做计算机控制技术实验时已经具有微机原理、单片机等很多课程实验的基础,实验内容的难度要适当提高,以综合设计性实验为主,提高学生的创新能力。根据教学计划,计算机控制技术实验共6个学时,学期末有为期一周的计算机控制技术课程设计,实验室对全校学生实行全开放型预约实验。
2.1 实验装置熟悉及I/O通道实验
计算机控制技术实验装置采用积木式结构、使用非常方便。第一次实验开始时首先由实验教师向学生介绍实验装置功能,然后学生花很短时间熟悉实验装置并重点掌握基本输入输出通道的功能。I/O通道包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。学生在掌握板卡常用功能的基础上,使用C语言程序编写初始化pcl812板卡子程序(其功能是初始化pcl812板卡,设置pcl板卡数据读取方式,设置中断计数器)和初始化中断及中断服务子程序。并由定时器中断触发启动A/D转换,实现对外部开关信号、模拟量等进行采集。由于工业控制计算机的I/O通道功能比较好理解,且与单片机相应功能类似,学生通常都能较好地掌握,从而达到实验目的。
2.2 滤波实验
计算机控制系统在生产现场运行,信号的采集、转换必然受到生产现场各种强烈的干扰,如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等造成的干扰都会窜入I/O通道,轻则使采集的信号不精确,重则使系统无法正常运行[4]。
为了提高计算机控制系统的可靠性,在系统设计时必须采取多种抗干扰措施。如果在实验教学中不安排I/O通道抗干扰方面的内容,对于学生真正掌握计算机控制系统的组成和特点都不利。常用的抑制串模干扰的方法有两个:一个是根据干扰信号的特性来选择模拟输入滤波器;另一个是采用数字滤波技术,例如可采用平均值法、中值法、一阶惯性滤波等算法滤去干扰信号[1]。相比较而言,数字滤波器能够更好的帮助学生理解计算机控制系统的特点。学生实验时,要求先读懂加有详细注释的板卡初始化及中断子程序,然后参考校编《计算机控制技术实验指导书》中关于实现数字滤波器的介绍,分析数字滤波算法的程序框图,要求学生自行编写各种数字滤波算法程序,再输入A/D通道采集的混合信号,验证数字滤波器的滤波效果。本次实验主要是让学生熟悉数字滤波器的实现方法,认识工业控制计算机的硬件特性,理解板卡的有关驱动程序及板卡设置等都有很大的帮助。因为实验室是全开放的,对于学有余力或有兴趣的学生,还可以加做其他高级滤波算法的实验,自行设计数字滤波器系统传递函数并编程实现数字滤波器。
2.3 数字PID算法实验
本次实验要求学生根据被控对象的传递函数,设计被控对象的控制器传递函数。采用P I D位置式递推算式、PID增量式递推算式、防积分饱和PID控制算法实现对被控对象的控制。根据PID控制对象的参数整定方法,确定P、I、D参数。通过连线使学生对计算机控制系统的结构有整体认识。
学生在做实验时,把产生带有高频噪声干扰的有用信号,让其通过模拟低通滤波器之后,将滤波器输出作为闭环系统的给定输入并经模拟量输入通道一进行数据采集。模拟对象输出作为单位负反馈信号并经模拟量输入通道一进行数据采集。当板卡采集到给定和反馈信号后,要求学生调用自编的PID控制算法子程序,根据采样时刻的偏差值计算控制量。控制量通过模拟量输出通道1输出加到模拟对象的输入端对其进行闭环控制,并调用编写的显示图形子程序,将控制结果及参数实时显示出来。总而言之,前三次实验内容,既是相互独立的,又是相互关联的。通过前三次实验,加强学生对使用板卡进行数据采集过程的理解,为将工业控制计算机用于计算机控制系统工程实际打下一定基础。
2.4 综合设计实验
工业控制计算机在工业控制中的应用非常广泛。它可应用于电机控制、温度控制等系统中,也用于随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的集散控制系统中。由于工业控制计算机在工业生产中的实际应用系统通常较为复杂,而实验教学的课时又非常有限。要想在有限的实验教学课时内设计出真正的实用系统是不现实的。因此,从工程实际应用系统中抽取“工业控制计算机控制直流伺服系统设计”、“工业控制计算机控制温度控制系统设计”、“工业控制计算机控制集散控制系统设计”等综合设计性实验。这些实验,既能体现工业控制计算机的优越性,接近自动化专业学生今后工作的工程实际,又可以在时间内完成。通过学期末课程设计开设的综合设计性实验内容,加强学生对工业控制计算机在工程实际中应用的了解,培养学生的工程兴趣,提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。综合设计性实验要求有多个实验题目。每个自然班被分成若干组,每组2～3人。前三次实验内容使用的挂箱,在综合设计性实验中多数可以直接调用,这样既让学生明白前几次实验内容的工程价值,又减少在综合实验中所花的时间。学生在一周的课程设计时间里,基本上能够完成一个综合设计性实验。
3 实验装置的研制
为了满足自动化专业实验教学内容的要求,研制了一套计算机控制技术实验装置。同时根据课程设计内容的需要,配套设计了一些典型控制对象,如自制直流机组、电烙铁等。台湾研华公司生产的研华原装工业控制计算机,IPC-610L是专门为工业控制系统而设计的,在工业电脑和自动化市场中应用非常广泛。我系计算机控制技术课程选择工业控制计算机作为教学机型,因此本实验装置研华原装工业控制计算机进行开发。
3.1 研制的指导思想
(1)便于综合性、设计性实验的实现。设计性及综合性实验是提高学生创新能力的重要手段[5]。计算机控制技术实验装置具有多功能性,输入输出接口功能较强,便于综合性、设计性实验的实现。
(2)便于开放式实验教学。计算机控制技术实验装置采用积木式结构,操作方便,安全性好,便于开放式实验教学的实行。
(3)实验教学面向工程实际。注重贯彻实验教学面向工程实际的思想。结合所设计的实验教学内容,使学生明白工业控制计算机在自己毕业以后实际工作中的用途及使用方法,从而培养学生的工程兴趣,提高实验教学效果。在计算机控制技术实验装置研制之初,就制定了上述几个指导思想,研制过程中,经过对样机多次改进,最后用于学生实验的实验装置,也基本上体现了这样的指导思想。
3.2 装置的基本功能
本实验装置由工业控制计算机、U N I T 1～U N I T 4挂箱及典型控制对象模型组成。工业控制计算机是实验装置的核心部件,在工业控制计算机中还有两块ISA接口的板卡PCL-812PG和PCL-833。PCL-812PG板卡是包含有A/D、D/A、DI、DO等功能的综合板,插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用来对光电编码器的脉冲进行计数,插在ISA7插槽中。
UNIT1～UNIT4的每个挂箱只要拔掉后面的插头即可方便地拆下,各挂箱之间可灵活组合、操作方便、直观、用途广泛。U N I T 1面板包括电源控制、信号源和通道实验三个部分。其中信号源部分包括噪声源、阶跃信号源和混合电路,噪声源通过UNIT1挂箱内印制电路板上的拨码开关切换输出脉冲噪声或均匀噪声。阶跃信号源可以通过手动调节电位器提供-10～10V的直流输出,并可通过乒乓开关控制直流电源的通和断提供阶跃输入信号。混合电路是两路同相相加电路。通道实验部分包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。
UNIT2挂箱的主要功能是完成滤波实验和数字PID算法实验。包括模拟滤波电路、数字滤波电路和模拟对象电路三部分。模拟滤波电路图如图1所示。
在UNIT2挂箱中的数字滤波电路只是一个示意图,并无实际电路。在示意图上标注说明滤波输入经A/D通道1进入工业控制计算机,滤波输出经D/A通道1从工业控制计算机输出,并将2路通道与I/O接口电路相连。学生实验时,只要按要求把混合信号插入指定的A/D通道端口即可观察滤波效果。模拟对象电路主要有运算放大器和若干电容、电阻组成。学生做实验时可通过UNIT2挂箱面板上的乒乓开关选择一阶或二阶模拟对象。各模拟对象的电路原理图如图2所示。
与图2模拟对象对应的传递函数为:
U N I T 3主要用于完成电机位置控制和转速控制实验,附加集散控制系统实验示意图。电机控制原理图如图3所示。电机位置控制实质是构成一个位置环,输入脉冲序列和反馈脉冲序列产生位置误差脉冲序列信号,误差脉冲序列信号加到驱动板上,以H型双极可逆P W M方式驱动直流伺服电机低速高转矩转动,到达期望位置。图3中的A/D和D/A均通过PCL-812PG板卡实现,脉冲板指插在工业控制计算机ISA10插槽中的PCL-833板卡。驱动板在UNIT3挂箱内部,它是H型双极可逆PWM驱动系统。增量式光电编码器每圈可输出1024个A相和B相脉冲和1个零位脉冲,A、B相脉冲信号的相位差为90度。三个脉冲信号均为差分信号,输入到PCL833脉冲板进行脉冲计数。学生实验时可直接将给定信号连接到UNIT1挂箱面板上对应的A/D通道,工业控制计算机通过D/A通道输出控制电压,当控制电压为-10～10V时,驱动板所输出的电枢电压能让自制的直流电机组的转速在-1500～1500转/分内变化。这样的设计主要是考虑到学生毕竟是在做计算机控制技术实验,应将训练的重点放在控制算法的掌握上,尽量减少学生在其它设计和调试中所花的时间。同时,将实验装置的电路原理图附在实验指导书的后面,供学生学习参考用。
集散控制系统实验在UNIT3挂箱内并无实际电路。集散控制系统采用工业以太网卡和TCP/IP协议构成的现场总线,现场总线将上位机和下位机连接起来,组成集散控制系统[6]。下位机的数据传输线通过集线器与上位机交换数据。实验软件分为两部分:上位机上有集散控制系统的监控界面,在Windows2000下的组态王6.5软件中运行;下位机是现场数据采集界面,也运行于组态王6.5环境下。集散控制系统实验结构图如图4所示。
U N I T 4主要用于完成温度控制实验及实验装置的显示任务。温度控制原理如图5所示,在温度控制中,ADAM4016是关键元件。A D A M 4 0 1 6发出三路开关信号去控制三个固态继电器,固态继电器通过控制交流电源的通断去控制发热体的实际功率,发热体是由三个20W的烙铁头紧箍在一起组成。温度传感器是Pt100。温度信号由一体化变送器变成电流信号0～2 0 0℃对应4～20mA。变送器还可实时地显示发热体的温度。实验装置采用三星15英寸液晶显示屏显示实验结果。
根据综合设计性实验的需要,设计了相应的典型控制对象模型,例如自制直流机组和发热体。这些控制对象模型与工程实际中的系统特性相似,只是体积小一些,辅助电路简化了一些。学生实验时,可以在实验装置上根据需要搭接不同挂箱,并通过输入输出通道将这些控制对象与计算机控制系统相连。
4 结束语
计算机控制技术实验装置如图6所示,已通过学校专家的鉴定,专家一致认为该实验装置以工业控制计算机为核心,采用积木式结构,按实际工业控制系统标准设计,使用方便,实验内容丰富,有助于提高学生的动手能力、工业控制计算机的使用能力和软件编程能力,全面提高学生对计算机控制技术的应用水平,并给教师和研究生提供了一个科研及产品开发的平台,其综合设计思想先进,目前已达到国内领先水平。
参考文献
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实验研制 篇4
（1.重庆邮电大学体育学院，重庆 400065；2.北京体育大学，北京 100084；3.中国农业大学，北京 100083）
摘 要：介绍了《乒乓球竞赛规则》多媒体CAI课件在建构主义学习理论基础上的设计与开发过程。并对研制的课件进行教学实验研究，研究结果经T检验和模糊综合评价定量分析表明：运用该课件进行乒乓球裁判教学所取得的教学效果与传统教学相比具有显著性差异（P＜0.01）。并且该课件通过运用推广已取得了良好社会效应。
关键词：建构主义；乒乓球；裁判；CAI课件
中图分类号：G807.03文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)12-1698-03
Development and Experiment Application of CAI Courseware in Table Tennis Competition Rules Based on Constructivism
WANG Ying瞭ao1, CAI Xue瞝ing2, ZHANG Qing瞛ian1，ZUO Dong瞙ua3
（1.School of P.E., Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2. Beijing Sport University, Beijing 100084, China；3.China Agriculture Univsesity，Beijing 100083，China））
Abstract:The paper introduces the design and development of CAI courseware on Table Tennis Competition Rules based on constructivism theory. And we take teaching experiments on the courseware. The research shows effects in teaching and practice ability have significant difference between traditional teaching and multi瞞edia teaching through t瞭est and vague synthetic evaluation quantitative analysis(P＜0.01). The courseware has got good social effect through application and promotion.
Key words: constructivism; table tennis; referee; CAI courseware
自从1959年美国IBM公司研制成功第一个计算机辅助教学(Computer Assisted Instruction
简称CAI)系统，人类就开始进入了计算机教育应用时代[1]。发展至今，CAI已被普遍应用，并成为现代化教学手段的重要标志之一。在国内外体育理论教学领域中也同样受到诸多教师的欢迎和重视。但由于长期强调刺激——反应，常以行为主义学习理论作为指导思想进行CAI课件的设计制作，形成了简单的以“演播讲授法”为主。
近几年，随着认知规律的不断深入研究，认知学习理论的一个重要分支——建构主义（Constructivism）学习理论越显其强大的生命力,再加上多媒体计算机所具有的多种特性，将CAI作为建构主义学习环境下的理想认知工具，将从本质上改变那些投影图形、展示图像形式的“演播讲授法”，从而有效地促进学生的认知发展，并获得良好的效果。
本CAI课件正是基于建构主义学习理论而研制的，并在裁判教学与培训等实证研究中取得了良好效果。现将此CAI课件的设计与研制过程以及教学实验与裁判培训实证的效果等予以介绍，以期相关领域体育工作者参考或提出宝贵建议。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象 以重庆邮电大学社会体育专业本科生为研究对象。
1.2 研究方法
1.2.1 文献资料法 查阅了与乒乓球、其它体育教学及CAI课件制作等相关的文献资料。
1.2.2 访谈法 访谈了从事乒乓球教学的一些专家和教学经验丰富的教师，征求该CAI课件脚本的设计与确定。
1.2.3 软件编制法 于2007年2-7月期间广泛收集各种乒乓球竞赛规则相关的视频、图片资料等，运用Photoshop、Flash等对它们进行素材制作，再运用Authorware6.0编制合成了该CAI课件，为期6个月完成制作并刻录成光盘。
1.2.4 实验法 利用实验方法检验所研制的CAI课件的信度、效度和可行性以及科学性。
1.2.5 数理统计法 运用Spss13.0 for Windows，对实验结果以及问卷调查数据，进行处理为该CAI课件的研制提供实验性依据。
2 CAI课件的研制与分析
2.1 CAI课件设计的建构主义学习理论指导思想
建构主义的学习理论是在20世纪90年代得到迅速发展的现代学习理论。建构主义学习理论强调以学生为中心，它不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者[2]。本CAI课件的设计正是基于这种指导思想理念而研制的。
2.2 建构主义学习理论指导下CAI课件的设计与开发
2.2.1 CAI课件的内容设计与开发 本CAI课件的研制内容包括2大部分，12个子部分（图1）。整个CAI课件除了文字外，还有近80个图片、Flash动画或剪辑视频等。
2.2.2 CAI课件的结构设计与开发
本CAI课件可通过图2初步了解整体结构设计特点和性质，界面的上下黑色区域部分为整个课件主菜单，通过它们可任意进入其它模块。其中在界面中设计了历年各级别裁判考试真题，让学生随时检验自我裁判水平。其次设计了“讲解笔”，点击它教师可轻松实现在课件上的“写、画”过程。另设计了“收藏夹”，让学生自己将暂时无法完全掌握内容可临时集中在一起，最后只要在“收藏夹”中点击相关按钮均可重阅它们进行再次学习这不仅把学习的主动权交给了学生，更重要的是学生可重新组织“资料”，使学生的创造性、主动性得以发挥，有助于学生最终达到知识的意义建构。
根据建构主义的“协作学习”的涵义，在课件中设置了“答疑”模块。通过它可以直接发电子邮件给教师，教师将会及时予以回复，实现师生间的简单“会话”。
建构主义理论认为，学习要充分利用各种信息资源。该课件在右下区域设置了“参考”按钮，“参考”部分装载了乒乓球竞赛规则的相关《超星电子图书》，单击它，即可看到预先准备好的参考资料。这正体现了建构主义强调的教师在学习中的“帮助者”作用。
2.2.3 CAI课件学习资源的设计与开发
根据建构主义学习理论，在开发该CAI课件过程中，非常注重学习资源设计，尽可能给学生提供丰富的学习资源。充分利用计算机的特性，运用多种工具软件精心制作图片、动画和视频。如比赛规则中“擦边”的解析（图2），除了有文字解释外，还通过图片说明或是Flash动画或是剪辑视频等设计了不同情况的临场案例来说明“擦边”与“界外球”区别，帮助学生在临场时正确、果断地执裁，而这些均是传统教学所欠缺的。此外，该课件可轻松通过“超级连接”到Internet查阅资料或进入论坛。这对学生主动性、创造性学习提供了很大帮助，有利于学生对知识的意义建构。
2.2.4 CAI课件学习环境设计与开发
根据建构主义学习理论，把学习的主动权交给学生，以学生为中心。该CAI课件为学生设计了多种学习资源及控制自我选择功能，可以随意进入各模块，调用各部分进行学习和复习，整个过程可实现一种自主式学习。为了更好地体现以学生为中心，设计实现了学习环境操作简单，使用方便，导航清晰，交互性强，按钮等导航机制随意跳转、随意选择和控制学习内容，使学生牢牢掌握学习主动权。该CAI课件在建构主义学习理论的指导下，还根据学习内容特点及教学需要，利用现代多媒体工具制作，以及面向对象的程序设计方法，将相关的文本、图形、动画与视频链接起来，通过脚本控制按钮、热对象、热区等跳转，形成网状结构，实现超文本、超连接。学生也可通过导航机制，调用想要浏览的内容，具有一定交互性。
2.3 CAI课件的制作流程
首先是根据脚本所需，确定所需，并通过收集、扫描、自制等途径完成各种素材的准备；接着是课件编辑合成。根据课件设计的结果，运用Authorware6.0对准备好的各种素材进行编辑合成；然后对编辑好的课件进行调试，并对其进一步修改；最后是对课件调试、修改结束后，运用Authorware6.0对该课件以及各种字体、播放器等均打包在课件中，并运用Nero软件刻录成光盘。
2.4 CAI课件教学实验研究
2.4.1 理论教学实验与结果分析
通过实验来检验该CAI课件在实践中的信度、效度和可行性。采用组间比较设计的方法来检验两组间的教学效果差异性。教学实验的时间是2007年9月，教学时数为4学时。对重庆邮电大学社会体育专业乒乓球普修课2006级学生60人进行教学实验，在实验中将学生随机平均分为实验组和对照组各30人；实验组采用该CAI课件进行教学，对照组采用非建构主义理论指导下传统课件的教学（以下简称“传统教学”）。在教学时数、考试方法和考试内容等相同的条件下对学生进行了裁判理论考试，并对2组学生考试成绩进行统计学处理“T”检验(表1)。
从表1可看出,实验组与对照组学生裁判理论考试成绩呈现非常显著性差异（P<0.01）。虽然考试成绩不能完全说明问题，但也从某方面反映了采用该CAI课件教学效果优于传统教学。
2.4.2 临场裁判实验与结果分析
乒乓球裁判除了应掌握理论知识外，更重要的是具备一定临场实践能力。本实验采用由定性转化为定量的模糊综合评价法进行临场裁判实践能力评价，这种评价结果更加真实、客观。首先，根据多元分析法确定的权重系数以及划分的评价等级制定裁判实践能力评价表（表2），由3名乒乓球老师根据评价表对实验组和对照组进行量化评价。然后，对评价运用模糊综合评估的方法计算出两组学生的临场裁判实践能力综合评分，并对评分结果进行差异性检验（表3），同时，对两组学生的裁判技能综合评定成绩进行正态检验。实验结果表明：实验组和对照组的D值分别为0.270和0.269，两组成绩均成正态；实验组的临场裁判实践能力明显优于对照组，且具有显著性差异（P<0.01）。可见利用该CAI课件教学来培养临场裁判实践能力优于传统教学，且行之有效。
2.4.3 问卷调查与结果分析
为了进一步检验该CAI课件的教学效果，在教学实验结束后，为了了解学生对使用该CAI课件教学的态度倾向，当场向实验组30名学生发放调查问卷，回收率与有效率均为100%，对具体调查结果采用加权统计方法求其综合态度系数F。通过表4的统计结果可见各项F值（F>0），在理解程度、学习兴趣、自我评价、教学效果等方面都取得了较好的实验效果，均表现出正向倾向，且呈显著水平。其中对乒乓球竞赛规则的理解程度F达到0.85，说明学生通过该CAI课件教学后，对竞赛规则的要点有了更准确、清楚的理解；对提高学生学习兴趣、规则的掌握，促进教学效果有很大的现实意义。
3 应用成效概括
通过实验检验取得良好效果后，于2007年10月正式将该CAI课件运用在重庆邮电大学社会体育专业学生的乒乓球裁判知识教学中，再通过重庆市大中小学的省市级乒乓球比赛作为实践平台进行裁判实践。目前重庆邮电大学社会体育专业学生已通过国家3级乒乓球裁判员等级121人，通过国家2级乒乓球裁判员等级24人；另乒乓球裁判教学所取得的良好社会效应以及它具有极强的推广价值是笔者主持的《社会体育专业乒乓球教学训练立体化的构建与实践》科研项目中的重要教育教学成果之一，而该项目成果被评为2008年重庆邮电大学校级教育教学成果二等奖。
4 结 论
通过教学实验、临场裁判实践以及学生课后调查均表明采用该CAI课件教学优于一般的传统裁判理论教学。在很大程度上已成为了学生主动学习、协作式探索、意义建构、解决乒乓球竞赛规则实际问题的认知工具，克服了“图片解说”、“资料汇集”的缺陷，大大提高了教学效果。特别是在该CAI课件中制作的动画、剪辑视频等案例解析，使课堂中的理论与临场实践环节有机地结合起来，加速了实践能力的提升。
通过应用表明，该CAI课件已获得了较好的社会效应，具有极强的借鉴和推广价值。
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修井旋转实验台的研制 篇5
1 结构原理
本实验台为旋转结构, 主要包括实验台、实验井筒、电动机、修井机、定位传感器等 (图1) 。实验井筒安装在旋转实验台上, 随实验台一同旋转, 更换操作实验。定位传感器安装在井筒周围, 用以定位实验井筒相对修井机的位置, 选择实验井筒。电动机和减速机构设在实验台的底部中心轴上, 为实验台的旋转提供动力。修井机为修井实验的主要系统, 实现修井实践训练的全部操作。
1.电动机2.实验井筒3.实验台4.修井机5.定位传感器6.蜗轮蜗杆减速器
本系统以实验台中心为圆心, 以三相异步电动机为动力, 通过蜗轮蜗杆机构减速后驱动实验台旋转, 并快速对正所选择的实验井筒, 实现修井机与油井井眼的对中, 进行修井教学实训。
2 主要技术参数
额定电压:380 V
额定功率:1.1 kW
额定转速:910 r/min
减速比:1∶30
实验台旋转直径:750 mm
实验井筒数:6
3 控制系统
3.1 系统要求
本系统为实验室教学系统, 要求安全可靠, 运行平稳, 噪音小, 井筒能迅速准确的定位 (误差不超过±1 mm) , 且造价低。
3.2 系统设计
根据实验台传动系统的结构和技术参数易知, 定位传感器处旋转实验台的线速度为v=0.19 m/s, 其速度较快, 因此, 控制系统以反应速度较快的光电传感器定位, 且设置电机刹车系统。其原理如图2所示。
由图2可知, 旋转实验台控制系统由主电路和控制电路两部分组成, 其中控制电路的功能主要包括井筒选择定位和电机刹车两部分。井筒选择定位系统以光电传感器OMRONEE-XS770为主控元件, 配合选择按钮开关实现井筒选择定位功能。为了克服旋转实验台的惯性, 实现井筒的准确定位, 必须设计电机刹车电路, 此处选用了比较典型的“单向启动能耗制动自动控制线路”。
3.3 系统原理
合上与选定井筒相对应的定位开关Sn (n=1, 2, ……, 6) , 按下启动按钮SB1后, 交流接触器KM1得电, 其常开触点闭合, 电机正转。待井筒旋转到相应的定位传感器时, 继电器KA得电, 常闭触点断开, 常开触点闭合, 接触器KM1断电, 主触点和自锁触点断开, 接触器KM2和延时继电器KT得电, 电机处于半波能耗制动状态。待延时时间到, 其常闭触点断开, 接触器KM2断电, 电机停转。如欲在某时刻停车, 亦可随时按下停止按钮SB2即可使回路断电, 电机刹车, 停转。
4 操作步骤与注意事项
(1) 首次操作, 通电后按下启动按钮SB1或SB2即可使电机正转或反转。
(2) 运行过程中, 如遇紧急情况, 按下停止按钮SB3即可迅速停车。
(3) 限位片通过光电开关时电机停转, 但井筒与修井机对齐不理想, 此时先按下停止按钮SB3, 使继电器K复位后, 再按下反转按钮, 使电机反转再次对正即可。
(4) 电机在正常情况下自动停车后, 必须先按下停止按钮SB3, 使继电器K复位, 然后才能再次启动, 否则, 启动无效。
5 结论
该控制系统在实验室内进行了试验, 首次通电对正误差为±2.12~2.60 mm, 再次反转调整后, 误差可控制在±0.36~0.74 mm, 这完全满足实验台的工作要求。且该系统结构简单, 操作按钮少, 触点少, 无焊接点, 安全可靠, 成本低, 操作简单方便, 是实验教学的好帮手。
参考文献
土力学实验的仿真软件研制 篇6
1、软件的开发程序语言
计算机仿真实验是通过相应的模拟程序在计算机上来完成实验过程的。我们选用的开发程序为VB(Visual Basic的简称),这是Microsoft公司推出的一种可视化应用程序开发工具。VB采用可视化的开发图形用户界面的方法,使用者一般不需要编写大量程序源代码去描述界面的外观和位置,而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相应位置即可,使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立实用的应用程序。程序运行通过后,可以形成可执行文件,点击该文件就可以进入仿真软件的用户界面。完成后的土力学实验仿真程序界面如图1所示。
2、仿真软件的功能
2.1 实验步骤及相关理论的查找功能
为使学生易于理解和使用,在仿真软件中介绍实验中试样的制作、施加荷载、观测的技术要领和详细过程。仿真软件中提供查找功能,学生可以在软件中方便的查阅与本实验相关的理论及相关的国家技术规范。比如在进行“直剪实验”时,可以在该软件上点击“步骤查询”这个按钮,这样就可以看到该实验步骤分为五步,分别为“(1)环刀切取试样;(2)试样放入盒中;(3)调整量力环百分表读数为零;(4)施加压力及水平力;(5)卸载取出损坏试样”。如果学生对某个步骤还要进一步了解,可以再点击所选的步骤,可以得到更加详细的解释。比如点击“试样放入盒中”,就可以看到详细描述如下“对准直剪仪上、下盒,插入固定销,使上、下盒固定,在试样上、下面各放一张不透水的塑料薄膜,将带土样的环刀平口向下,对准剪切盒口,用一透水石将试样徐徐推入盒内,移去环刀,最后装上加压盖板和钢珠。”
2.2 实现土力学实验过程的可视化
土力学实验的目的在于如何准确测定土体的各种物理及力学参数,如压缩性指标、抗剪强度指标等。因此,在研制土力学实验仿真系统时,遵循土力学实验的课堂教学规律,努力通过仿真软件模拟过程来揭示土的力学行为,尽力使软件界面形象生动,并且便于使用者操作。以“直剪实验”为例,通过对土体试样施加水平力,使试样在直剪仪上下盒的交界处错开破坏。破坏前和破坏后的试样示意图如图2和图3所示。
2.3 仿真系统中引入土体本构模型
由于土是一种松散介质,具有三相(固相、液相和气相)组成,其力学性质远远比金属固体材料复杂,所以土的本构模型也更加复杂。在实验仿真软件中,引入几种较为经典的土体本构模型进行计算机模拟,可以让学生更深入体会土体的复杂性及其本构模型对实验结果的影响。我们利用岩土工程有限元软件MIDAS/GTS,对土力学实验进行模拟,可以得到土体位移及应力分布图,计算结果可以导入我们的仿真系统中。这样可以利用已有的商业软件中的多种土体本构模型,比如莫尔库伦模型、邓肯-张模型等。直剪试验中,土体试样破坏时的应力图如图4所示。
2.4 对实验结果的曲线实时显示
本仿真软件操作尽量采用鼠标点击或者文件导入的形式来输入数据,可以减少数据的手工逐项输入,从而减少人与计算机交互过程中的失误,也提高了数据输入效率。在模拟过程中可以随时显示实验结果的实时曲线,如荷载与位移的关系曲线,与实际实验过程相一致。学生可以利用仿真软件模拟的结果数据进行处理,绘制各种变化曲线,获得所需的各种力学参数。
3、仿真软件在教学中的应用
从上述的功能描述可以看出,本实验仿真系统具有以下特点:(1)操作简单,便于使用,多数情况下只需点击按钮;(2)可视性较强,可以看到土力学实验的全过程,并以直观形象的图形表现出来;(3)仿真程序遵循土力学实验原理,较真实地反映土体试样的力学行为;(4)对试件进行实验加荷后立即可以得到变形结果;(5)交互性较强,操作者可以输入土体试样大小、荷载大小、加载速率等各种信息,可以获得实验结果数据及变化曲线。
本实验仿真系统被应用到土力学教学中,主要在两种情况下:一是在课堂里讲解实验原理时,将土体试样受力与变形过程展现出来,使学生更深刻地理解土力学的基本原理。二是在实验前让学生进行计算机操作,能够调动学生的学习积极性,使学生更深入地掌握土力学实验的基本步骤。
4、结语
仿真实验软件是通过操作计算机程序来模拟完成实验过程,不受实验室场地、实验设备、实验材料的限制,是培养学生综合创新能力的一种新手段。仿真实验为学生提供了一种虚拟实验环境,在这种环境下学生可以反复进行操作,并且快速获得实验结果,其方便性是实际实验所不可比拟的。仿真实验作为一种全新的教学手段,有助于激发学生学习专业知识的兴趣,在实验经费和实验设备受到限制的条件下,开展计算机仿真教学具有应用推广前景。但如何结合各自的专业特点,开发适合本专业学生使用的仿真软件,还有很多相关的问题需要深入探讨。
参考文献
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一种薄层干燥实验设备的研制 篇7
该薄层干燥实验设备主要用于各类谷物薄层干燥试验, 通过模拟相应的环境, 经空气加热对谷物进行干燥, 改变加热温度和风机转速, 可以得到恒温条件下不同风速对谷物干燥速率的影响程度, 或者在恒定风速条件下不同风温对谷物干燥速率的影响程度, 还可以通过更换容料室来改变谷物层的厚度, 经试验得出干燥中谷物层厚度最佳数据, 确定各参数之间的合理配比, 为设计节能高效、干燥后粮食品质不变、性能优良的谷物干燥机提供准确的实验数据, 适用于各高等学校实验室和科研单位、干燥机生产企业模拟实验等。
1 基本参数
该薄层干燥实验设备主要技术参数如下: 热风温度范围为15 ~ 150 ℃ ; 模拟环境湿度范围为35% ~ 85% RH;温控精度为 ± 0.5 ℃ ; 湿度精度为 ± 0. 3% ; 风速范围为0 ~ 20 m/s; 风速测量精度为 ± 2% FS; 称重范围为0 ~20 kg; 称重精度等级为0. 1; 总功率为65. 85 kW。
2 结构原理
该薄层干燥实验设备如图所示。
( 1) 恒温恒湿机: 安装在整个实验设备的进风初始位置, 能对空气进行加热和加湿, 并保证温度和湿度恒定, 在一定条件和范围内模拟实验所需要的环境气候条件。
( 2) 手动调风门: 此调风门设在恒温恒湿机1 和风机3 吸风口中间, 通过手动调节风门的开度来控制实验用的系统风量。
( 3) 风机: 通过管道安装在手动调风门2 和加热器5之间, 主要为干燥实验中所用的空气, 并通过控制风机转速的变频器调节实验所需的空气流量。
( 4) 加热器支架: 安装在加热器5 下方, 用于固定支撑加热器5 和风机3, 由角钢焊合而成。
( 5) 加热器: 通过管道安装在风机3 出口和热风管道8 之间, 外壳及框架为不锈钢钢板焊合而成, 内装翅片式电热管, 用于加热试验所需要的空气, 并通过将电热管分组分别受电控系统控制, 得到试验所要求的精准风温。
( 6) 温湿度传感器 ( a) : 安装在加热器5 出风一侧的热风管道8 上, 主要采集检测由加热器5 加热后的空气温度和湿度。
( 7) 阀门 ( a) : 此阀门为金属硬密封手动阀门, 联接在热风管道8 上共4 件, 通过不同的阀门开关可以得到两种不同热风流向, 从而使试验谷物能够换向干燥。
( 8) 热风管道: 用于连接加热器5、四个阀门7、10、15、16、干燥室20, 管道直径200 mm, 由双层不锈钢板焊合成弯头、三通、直管等单件, 两层不锈钢板间填充硅酸铝板隔热材料, 减少热量散失。
( 9) 管道固定支架: 安装在热风管道8 下方, 用四个钢管立柱分别支撑四件金属气密阀门7、10、15、16, 立柱通过膨胀螺栓固定于地面, 各立柱之间通过角钢连接, 使上面管道成为一体。
( 10) 阀门 ( b) : 功能同阀门 ( a) 7。
( 11) 风速传感器 ( a) : 安装在热风管道8 上, 用于检测干燥室20 从右向左的风速。
( 12) 温湿度传感器 ( b) : 安装在热风管道8 上, 用于检测干燥室20 从左向右风向时的空气温湿度。
( 13) 温湿度传感器 ( c) : 安装在热风管道8 上, 用于检测干燥室20 从右向左风向时的空气温湿度。
( 14) 风速传感器 ( b) : 安装在热风管道8 上, 用于检测干燥室20 从左向右的风速。
(15) 阀门 (c) :功能同阀门 (a) 。
(16) 阀门 (d) :功能同阀门 (a) 。
( 17) 工作台: 安装在干燥室20 下方, 用钢板焊合而成, 上面用于固定干燥室20 和称重传感器18, 台内能放置备用的容料室19。
( 18) 称重传感器: 安装于干燥室20 与工作台18 之间, 用于采集容料室19 内被干燥谷物的重量变化信号, 并传到微机进行统计分析。
( 19) 容料室: 安装在干燥室20 内部, 是用来放置干燥谷物的容器, 由不锈钢焊合而成, 共6 件, 一件是谷物层厚度可以在1 ~ 5 cm间任意调节的容料器, 其余5 件为谷物层厚度分别固定为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm的容料器。
( 20) 干燥室: 固定在工作台17 上面, 是用来放置容料室19 的装置, 其上面是可以打开的盖子, 内部设一放置容料器的托盘, 托盘下方为称重传感器18, 干燥室两端分别通过耐高温的软连接同热风管道8 连接, 这样可以减少由热风管道8 振动对称重传感器18 的干扰。
( 21) 电控系统: 在实验设备旁边, 通过电缆线与实验设备相连, 包括温度仪表、变频器及各个电机的主回路、控制回路等。
( 22) 数据处理系统: 设在实验设备旁边, 由一台微机和专门研发的处理软件组成, 将各点温湿度传感器6、12、13, 风速传感器11、14, 称重传感器18 的实时信号进行采集, 分析处理后可绘制不同参数之间的变化曲线, 显示并生成数据文件记录下来。
3 试验操作过程
电控系统及相关传感器安装完毕后, 确认恒温恒湿机1 内风机和外风机均为正转后, 可以按下面步骤进行试验操作。
( 1) 调节4 个密封阀门7、10、15、16 的开关位置, 共两种状态: (1) 阀门 ( a) 关闭, 阀门 ( b) 开启, 阀门 ( c) 关闭, 阀门 ( d) 开启, 这时容料器19 的风向是自右向左, 风速值由风速传感器 ( a) 11 检测; (2) 阀门 ( a) 开启, 阀门 ( b) 关闭, 阀门 ( c) 开启, 阀门 ( d) 关闭, 这时容料器19 的风向是自左向右, 风速值由风速传感器 ( b) 12 检测。
( 2) 启动恒温恒湿机1, 调节出想要的原始空气温湿度, 具体调节方法见恒温恒湿机使用说明书。
( 3) 启动风机3, 并通过手动调风门2 或风机3 变频器调节出大于试验所需的风速。
( 4) 启动加热器5, 并设定相应的实验空气温度。
( 5) 温度稳定后, 关闭风机2, 打开干燥室20 盖子, 将装有谷物的容料室19 放进干燥室20 中, 盖上盖子, 启动风机2, 这时由于风机2 风量发生变化还需进一步调节热风管道8 内的风速和热风温度, 同时微机对采集的各项数据进行整理分析, 并绘制相应的变化曲线。
( 6) 干燥过程中可以停机改变风向, 以提高干燥均匀性。
4 结论
通过模拟相应的环境条件就可进行谷物薄层干燥试验了。通过分别改变加热温度和风机转速, 可以测得恒温条件下不同风速对谷物干燥速率的影响程度, 或者在恒定风速条件下不同风温对谷物干燥速率的影响程度, 还可以通过更换容料室19 来改变谷物层的厚度, 经试验得出干燥中谷物层厚度最佳数据, 确定各参数之间的合理配比, 完成提高干燥效率, 保证干燥品质, 降低干燥能耗的目标。与现有的垂直上下送风薄层干燥实验装置相比, 该薄层干燥实验设备采用水平送风垂直称重被实验物料, 可以有效消除风压对称重精度的影响, 可直接测得被烘干物料的重量变化, 确保数据精确。
摘要：介绍了一种薄层干燥实验设备的研制, 这种设备可以测定介质温度、风速、谷物层厚度三个参数对粮食干燥速率及干燥品质的影响, 获得最佳干燥参数, 确定各参数之间的合理配比, 为设计节能高效、干燥后粮食品质不变、性能优良的谷物干燥机提供准确的实验数据。
多功能电子综合实验教具的研制 篇8
目前市场上单片机、FPGA、ARM和DSP实验箱种类很多, 其结构主要是将多个不同功能的单元电路组合成一个整体, 做在一块电路板上。这类实验箱优点是结构紧凑, 技术成熟、操作方便, 缺点是电路连接相对固定, 灵活性差, 整个电路板硬件结构复杂, 且原理图不完全对用户开放。这类实验箱适合做一些验证性的实验, 偏重于软件的设计与调试。实验时, 学生只要根据要求连接少量的插接线和短线帽, 调试与下载相应的程序即可完成相关实验内容, 不利于初学者了解硬件电路结构和自主设计、开发和创新能力的培养。同时由于单片机、FPGA、DSP和ARM芯片的种类多, 适用场合各不相同, 发展、更新速度又非常快, 而整体式实验箱的扩展性差, 不易升级, 更换核心芯片就要更新整个实验箱, 从而使教学成本大大增加。
在深入分析研究这类实验箱电路结构的基础上, 我院在建设省级电工电子实验教学示范中心时, 将开发研制模块化多功能电子综合实验教具立为重点研究课题。
一、设计思路
现代高新电子产品是软硬件的高度结合体, 系统的工作是由软硬件协同完成的, 其最低层的硬件系统一般是由一个或多个核心处理器件和外围输入输出接口电路构成。现在市场上软硬结合的实验箱正是实际高新电子产品的模拟和演示, 它是基于某个核心处理器, 再综合一些常用外围电路模块实现的。虽然单片机、EDA, ARM和DSP实验箱的核心处理器各不相同, 但其外围电路一般都是由开关电路 (如独立式按键、拔动开关、键盘等) 、显示电路 (如数码管、LED, LCD等) 、通信接口电路 (如RS232, RS485, USB, 以太网等) 、信号变换电路 (如A/D, D/A, V/F, F/V等) 、传感器电路 (如温度、光电等) 、控制对象电路 (如继电器、直流电机、步进电机等) 等单元电路构成。
我们将这些外围电路按功能相近分成多个模块, 设计制作成多个独立的单元电路板, 再设计制作单片机系统核心板、FPGA系统核心板、ARM系统核心板和DSP系统核心板, 并将这些电路模块的I/O口采用统一的接插线柱或双排针接口逐个引出。所有电路模块I/O口全部开放, 以便于学生自行选择定义, 所有电路模块的外形尺寸相同 (我们采用的是15CM*10CM) , 以便于模块的更换。
这套实验教具拟在搭建一个组合式、开放式的硬件平台, 使之成为学生进行电子系统设计的素材。它由多个独立的接口电路模块和不同的核心板模块组成, 各模块电路板间可通过接插线进行自由组合实现各种预定功能电路。学生在进行实验及课程设计时, 可根据需要有针对性地选择不同的电路板进行自由组合, 在类似搭积木的过程中, 理解常用电子单元电路的结构与设计方法, 直观地了解电子系统组成和工作过程, 从而掌握软硬件的设计与联合调试技术。
这套实验教具可完成单片机、EDA、ARM和DSP等课程的实验和课程设计, 也可以用作电子设计竞赛、毕业设计等。
二、主要单元电路模块
单元电路板分为核心电路板和外围电路板两类, 在进行电路板设计时, 尽量使单元电路板简洁、明了, 功能单一, 以便于学生对硬件电路的学习与理解。如在进行核心板的设计时, 为了使电路结构更加简单, 存储器的扩展采用双排针外插形式, 是否扩展、如何扩展存储器?扩展何种类型、何种容量的存储器?均由实验者自行选择与设计, 从而使初学者容易掌握核心板硬件电路结构与存储器的扩展方法。在PCB设计过程中, 应该遵循高频电路设计的基本原则。首先应注意电源的质量与分配, 其次要注意信号线和时钟线的分布。电路板上扩展口应将数据总线、地址总线和必需的I/O控制总线全部引出。
1. 核心单元电路板模块
(1) 51单片机核心板
51单片机核心板的外观和接口示意如图1所示, 其中电源电路由外部提供5V直流电源, 输出5V和3.3V电压;晶振电路中晶振采用插接式, 可更换不同频率的晶振;DIP40锁紧插座可接51系列单片机, 也可接仿真头;RS232接口电路主要用于配合51仿真头进行在线仿真调试, 也可用于单片机与PC机的串行通信;RC复位电路和看门狗电路可通过跳线接单片机的复位端;P0口可根据需要插接上拉电阻, EA端和PSEN端的电平可通过跳线设置;下载配置电路用来对具有ISP功能的单片机进行在线下载;36个I/O口全部通过插接孔引出, 用于与外围电路板进行连接;P0口、P2口、P3口以及电源线等再接到两个双排针扩展口, 该扩展口可插接存储器模块电路板等。
(2) FPGA核心板
FPGA电路板采用Alter公司Cyclone系列的EP1C3T144芯片, EP1C3T144芯片内有2910个LE逻辑单元, 13条M4KRAM和1个数字锁相环, 最大用户I/O口为104个, 144脚TQFP封装。该芯片适合初学者在较短时间内理解和掌握FPGA以及可编程片上系统 (SOPC) 的设计。
基于EP1C3T144的FPGA核心板的外观和接口示意如图2所示, 其中电源部分由外部电路提供5V电压, 通过两个电压转换芯片输出3.3V电压 (FPGA的I/O口电压) 和1.5V电压 (FPGA内核电压) , 并有电源指示和防接反保护;JATG接口主要于FPGA的在线调试下载配置, AS接口为主动串行配置接口, 串行配置器件为EPCS1;有源晶振为24MHZ, 加到芯片锁相环输入端;FPGA的I/O口采用接插孔和双排针接口两种方式引出, 所有I/O口均可灵活定义, 用来和外围电路相连。两个双排针扩展口, 主要用来插接存储器模块电路板, 一般在进行SOPC设计时使用;另外电路板还有全局复位按键和重配置按键等电路。
(3) DSP核心板
DSP电路板采用TI公司的TMS320VC5402芯片, 内有16KB的RAM和4KB的ROM, 144脚TQFP封装。该芯片是一种比较典型的DSP芯片, 结构也较简单, 通过学习此芯片的应用实验, 也就可以触类旁通地掌握其它DSP芯片了。
基于TMS320VC5402的DSP核心板的外观和接口示意如图3所示, 其中电源部分由外部电路提供5V电压, 通过两个电压转换芯片输出3.3V电压 (芯片的I/O口电压) 1.8V电压 (芯片的内核电压) ;JATG接口主要于系统的的在线下载调试;I/O口通过接插孔和双排针扩展接口引出, 通过接插孔可与外围电路进行灵活连接。通过双排针扩展接口, 可用来插接外扩存储器电路板模块, 另外电路板还有复位和时钟等电路。
(4) ARM核心板
ARM电路板采用PHILIPS公司的LPC2214芯片, LPC2214芯片是基于32位的ARM7TDMI-S的微控制器, 内有16KB的RAM和256KB的Flash, 带外部存储器接口, 144脚TQFP封装。单片应用时, 可使用的GPIO最多可达112个。外扩存储器时, 可使用的通过I/O口达76个。该芯片有四个32位的双向I/O口, 分别为P0口、P1口、P2口和P3口, 各口的引脚功能取决于引脚连接模块的功能选择。该芯片是性价比较高的32位微控制器, 通过此芯片的学习, 便于初学者理解和掌握基于ARM核的嵌入式系统设计。
基于LPC2214的ARM核心板的外观和接口示意如图4所示, 其中电源部分由外部电路提供5V电压, 通过两个电压转换芯片输出3.3V电压 (芯片的I/O口电压) 1.8V电压 (芯片的内核电压) , 并有电源指示和防接反保护;JATG接口主要于系统的在线下载调试;双向I/O口中的P0口、P1口通过接插孔引出, 可与外围电路进行灵活连接。P2口、P3口通过双排针扩展接口引出, 用来插接外扩存储器电路板模块。另外电路板还有复位和时钟等电路。
2. 外围单元电路板模块
(1) 开关类:8位独立式按键/8位拔动开关模块, 4*4阵列式键盘模块。
(2) 显示类:LED指示模块 (含8个高平驱动和8个低电平驱动电路) , 128*64的图形液晶显示模块, 8位动态数码管显示模块, 6位静态数码管显示模块 (自带BCD码译码器) , 16*16点阵LED模块。
(3) 通信接口类:RS232/RS485/USB模块、以太网/CAN总线模块、无线收发/蓝牙模块, MODEM模块, PS/2鼠标接口、PS/2键盘接口、VGA接口模块。
(4) 控制对象类:继电器模块 (含电磁继电器、固态继电器) 、直流电机/步进电机模块。
(5) 传感器类:温度传感器 (包含热敏电阻、AD590、I2C总线的LM75、单总线DS18B20四种温度传感器) 、指纹传感器 (FPS100) 、光电/超声波传感器等。
(6) 信号转换类:A/D转换模块 (包含串行和并行A/D) ;D/A转换模块 (包含串行和并行D/A) ;V/F转换、F/V转换、光电隔离模块。
(7) 其它:SRAM/FLASH扩展板模块、语音录放/峰鸣器模块、SD卡/CF卡读写模块、信号源模块、I2C总线的日历时钟模块等。
这套实验教具的单元电路原理图和所有I/O口资源全部对实验者开放, 模块电路板之间的I/O口通过接插线连接, 使用非常方便。如“基于FPGA器件实现的数字钟实验”用到了“开关电路板”, “FPGA核心板”和“动态数码管电路板”三个模块, 其连接如图5所示。
四、实验教具的优点
1. 各个模块的功能单一, 结构简单, 针对性强。
实验时, 学生可根据自己的需要, 选择部分模块进行组合, 不需要的模块搁置一旁, 使系统结构更加简明, 更加清晰。便于学生认识各模块硬件电路结构, 理解各模块电路的工作原理和系统电路的构成原理。
2. 各电路模块所有的I/O口全部开放, 可操作性好。
实验时, 大部分连线由学生自己连接完成, 学生可自行选择定义各I/O口功能, 自行设计电路, 自行连接线路。从而利于初学者深入理解硬件电路模块结构, 锻炼学生的设计与实际动手能力。
3. 各电路模块在连线方式及工作电压等方面相互兼容, 通用性好。
学生可以充分利用已有的电路模块, 进行自由组合, 也可选择两个以上核心板模块, 设计出更为复杂的电路系统。
4. 系统硬件升级方便, 扩展性强。
更换核心板模块就可以更新系统, 增加新的模块就可扩展新的功能。学生可以根据自己的设计去选择模块, 也可以自行设计制作部分模块和已有的模块进行合理组合, 构成新的系统。从而激发学生学习兴趣和创新意识, 提高学生的综合分析与解决实际问题的能力。
另外该实验教具可根据新开设实验的需求, 不断开发出新的模块, 既满足了实验教学要求, 又能紧跟电子新技术的发展, 同时也节约了实验经费, 提高了设备利用率。
五、结束语
这套组合式、模块化的实验教具涵盖了单片机、EDA、ARM和DSP的实验和课程设计的内容, 也能满足大学生课外创新的需求。实际使用时, 更换核心板模块就可完成不同课程的实验与课程设计, 外围电路模块在不同课程多次得到重复使用。从而使学生熟练地掌握了外围硬件电路结构和软件的实现思路, 极大地提高了学生的硬件实现能力和软硬件的联合调试能力。自投入使用以来, 取得了较好的教学效果。
摘要：文中提出了一种组合式、模块化的多功能电子综合实验教具的设计思路与实现方案。简述了单片机、FPGA、DSP和ARM核心单元电路板的设计方法以及外围主要单元电路板模块的组成。这套实验教具具有针对性、扩展性强, 操作性、通用性好的特点。
关键词：核心单元电路板,外围单元电路板,组合式,模块化
参考文献
[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006
[2]戴明桢.TMS320C54xDSP结构原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007
[3]张绮文.ARM嵌入式常用模块与综合系统设计[M].北京:电子工业出版社, 2007
[4]于永.51单片机C语言常用模块与综合系统设计[M].北京:电子工业出版社, 2007
[5]潘松, 黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京:清华大学出版社, 2007
单片机综合实验箱的研制 篇9
1 设计思想
长期以来,单片机实验是基于“电路板块式”的实验教学模式,这种教学模式最大的缺点是：学生只能在教师预先设定的框架中被动地完成实验,在一定程度上抑制了学生主观能动性的发挥；另一方面,随着开放式创新型实验教学改革的深入发展,80%的实验为设计性、综合性实验,而传统的单片机实验箱功能单一,无法给学生提供一个充分开放自由的实验环境,不能满足实验教学的需要。
开发单片机综合实验箱,基于3个基本要求：第一要满足实验教学大纲所开实验的要求；第二,具有多功能,可完成设计性、综合设计性实验；第三,便携式,为学生提供实验箱,做预习或解决他们有设计思想希望进行实验却找不到实验场所的困惑。
总体方案的设计遵循以下几个原则：
(1)满足单片机原理与应用课程实验和单片机课程设计、电子综合设计以及大学生创新活动的需要。
(2)具有超前意识的设计性和综合性实验体系,既有固定电路可用,又可以让学生根据自行设计电路,进行电路搭接,灵活方便,实用性强。
(3)增强学生多方面的能力,包括软、硬件编程能力、实际动手操作能力。
(4)可扩展性强。不仅能适应当前的实验要求,经过扩展可以满足新技术、新实验的要求。
2 总体结构设计
2.1 组成
本实验箱提供2个实验平台：单片机实验平台和EDA实验平台。通过单片机实验平台完成单片机原理与应用课程中的基础性实验。通过EDA实验平台,利用CPLD/FPGA数字设计功能及互联技术,完成单片机外围电路的硬件设计及单片机I/O的在线分配,即实现单片机全虚拟I/O技术。因此可以根据不同实验功能设计不同的硬件接口电路,整个设计灵活多变,从硬件及软件两个方面加强了学生实践应用能力培养。
单片机实验平台由仿真器接口引出P1口、P3口共14个接线端子,用于连接其他单元电路（如图1所示）。包括A/D,D/A转换电路,8位L E D数码显示电路,L C D显示电路,4×4键盘电路,I/0口扩展输入,RS232或RS485串行通讯扩展,外接TS87C51单元电路,MSP430扩展板等功能单元。
EDA实验平台通过印制板走线连接,包括CPLD芯片下载板、音频单元、直流电机、步进电机、数据存储、单片机扩展接口等电路(如图2所示)。
各功能单元电路上设置连接端孔,学生根据不同实验功能,进行外围电路简单连线,进而理解单片机的硬件电路。
2.2 创新点
(1)多仿真器支持：
既有外接仿真器接口,可选配通用型号仿真器,同时有自主开发的板载仿真器,利用双串口单片机实现MON51仿真器,并开放串口提供给用户。
(2)支持EDA开发：
集成了EDA综合开发系统,利用FPGA实现单片机的外围硬件电路的设计,使学生可以根据不同实验功能设计不同的硬件接口电路,整个设计灵活多变,从硬件及软件两个方面加强了学生实践应用能力的培养。
(3)实验开放性：
实验电路单元尽可能独立开放开放式显示器开放式串口等,通过外接线实现单片机与各单元电路的连接,使学习者对单片机功能有更全面的认识。
(4)教学扩展性：
单片机实验平台采用仿真器外接设计,将仿真器和实验系统分开,仿真器可单独使用,并可选配其他型号仿真器,适应产品的更新换代。同时提供了TS87C51和MSP430单元电路,可根据实验教学的要求,采用其他单片机系统进行教学实验。本实验箱配备的仿真器为广州致远电子有限公司推出的高性能实时在线仿真器。
3 主要实验内容简介
3.1 基础性实验部分
该部分属于学习单片机课程应知应会的内容,主要包含以下部分：
(1)数据存储器单元：外部数据存储器采用8K的RAM(6264)和32K的RAM(62256)各一片,可用来做外部存储器读写实验。
(2)计数/定时器。
(3)键盘及LED显示：该电路采用8255实现对4×4键盘、8位LED数码管的扫描管理。
(4)模数转换：该单元既可采用A D C0809,也可以采用12位测量精度高速A/D转换芯片MAX197,完成8路模数转换实验。
(5)数模转换：D/A转换芯片DAC0832可以将数字信号转换成单极性模拟信号输出。
(6)I/O扩展输入：该单元包括简单I/O扩展输入和可编程并行I/O口扩展芯片8255。
(7)串行通讯扩展：采用可编程串行通讯扩展芯片82C51,可以实现串并口的转换。可以和RS232或RS485结合进行串口通讯扩展实验。
(8)LCD液晶显示器单元：该单元采用RT12864HZ汉字图形点阵液晶显示模块,其屏幕大小为128×64点阵,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM)。
3.2 提高性实验
考虑到目前高校所使用的单片机实验箱硬件部分都是固定不变的,因此实验教学中,学生主体意识差,在教师讲解了端口地址以后,主要进行单片机程序设计及验证性实验。为了提高学生综合应用知识的能力,外加了EDA综合开发系统,利用CPLD/FPGA强大的数字设计功能及互联技术实现单片机I/O的在线分配,即实现单片机全虚拟I/O技术,因此可以根据不同实验功能设计不同的硬件接口电路,整个设计灵活多变,从硬件及软件两个方面加强了学生实践应用能力培养。可同时开出CPLD、单片机及PC机综合设计实验。
4 结束语
本实验装置经试用,已经达到了设计要求,一方面可以满足正常的实验教学任务,提供良好的实验教学环境。另一方面,学生利用该实验装置可以完成CPLD、单片机及PC机综合设计实验,为学生课外科技活动提供良好的条件。
2011年2月16日,本单片机综合实验箱获得国家实用新型专利(专利号：ZL 201020513294.5)。
参考文献
[1]庄乾起.利用CPLD/FPGA技术加强单片机教学开发系统的研究[J].电气电子教学学报,2002,6:72～73