Универсальный учебно-демонстрационный измеритель
Универсальный измеритель используется при проведении демонстрационных экспериментов (лабораторных работ) по курсам физики, химии, биологии в полной средней школе, также может входить в комплект учебного оборудования кабинетов физики, химии и биологии учреждений начального и среднего специального образования. В едином корпусе измерителя размещены: микроконтроллер, связанные с микроконтроллером дисплей, модуль сопряжения, а также подключенные выходам к микроконтроллеру и соединенные входами с гнездами на корпусе измеритель времени, измеритель напряжения и измеритель тока. Модуль сопряжения обеспечивает передачу данных от подключенного, по крайней мере, одного датчика в микроконтроллер и имеет, по меньшей мере, один канал, связанный с разъемом для подключения датчика. Полезная модель обеспечивает повышение удобства пользования измерителем и расширение его функциональных возможностей. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.
Полезная модель относится к средствам обучения, а именно к устройствам, используемым при проведении демонстрационных экспериментов (лабораторных работ) по курсам физики, химии, биологии в полной средней школе, также может входить в комплект учебного оборудования кабинетов физики, химии и биологии учреждений начального и среднего специального образования.
Полезная модель предназначена для измерения промежутков времени, значений тока и напряжения, а также прямого считывания показаний цифровых датчиков. При проведении учебных экспериментов по электричеству полезная модель может быть использована как вольтметр для измерения падения напряжения на участке цепи и как амперметр для измерения силы тока в цепи.
Учебному демонстрационному эксперименту в школьном обучении всегда уделялось самое пристальное внимание.
Как показывает практика, большую ценность представляет не сбор данных, а анализ его результатов, их обработка и представление в виде, пригодном для анализа. Поэтому существует потребность в универсальном устройстве, которое представляет результаты измерений в удобной для анализа форме, а время подготовки к проведению эксперимента с его помощью минимально.
В опубликованной патентной заявке США 
2004101816 раскрыто учебное устройство для сбора и обработки данных, включающее компьютер, монитор и соединенный с компьютером блок сбора данных от датчиков. Однако это устройство не может использоваться для сбора и отображения данных в реальном масштабе времени и представляет собой соединение нескольких отдельных некомпактных блоков, не может крепиться на классной доске для демонстрации результатов экспериментов аудитории.
Из свидетельства на полезную модель RU 73530 U1 известно устройство сбора и отображения данных. Известное устройство включает микроконтроллер, выполненный с возможностью отображения результатов измерения на экране дисплея, дисплей и модуль сопряжения, выполненный с возможностью согласования поступления в микроконтроллер данных от датчиков. Однако известное устройство громоздко, не может крепиться к демонстрационной доске для наглядности проведения эксперимента, требует время для подготовки к эксперименту, не позволяет проводить эксперименты, связанные с измерениями промежутков времени.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой полезной модели, заключается в повышении удобства пользования измерителем и расширении его функциональных возможностей за счет сокращения времени на подготовку к эксперименту, обеспечения проведения наглядных экспериментов, обеспечения простой и удобной фиксации на доске, проведения экспериментов, связанных с измерением временных интервалов, и представления их в удобной для анализа форме в режиме реального времени.
Для достижения указанного технического результата предлагается учебно-демонстрационный измеритель, включающий размещенные в едином корпусе микроконтроллер, связанные с микроконтроллером дисплей, модуль сопряжения, обеспечивающий передачу данных от подключенного, по крайней мере, одного датчика в микроконтроллер, а также подключенные выходами к микроконтроллеру и соединенные входами с гнездами на корпусе измеритель времени, измеритель напряжения и измеритель тока, при этом модуль сопряжения имеет, по меньшей мере, один канал, связанный с разъемом для подключения датчика.
Тыльная панель корпуса снабжена магнитным держателем для фиксации измерителя на магнитной доске.
На боковой стороне корпуса установлен разъем для подключения источника питания.
На лицевой панели корпуса размещены кнопки управления «старт», «стопВ/А», «сброс/канал».
Дисплей размещен на лицевой панели корпуса и представляет собой четырехразрядный цифровой и двухразрядный символьный дисплей.
Разъемы для подключения датчиков представляют собой разъемы miniDIN8, расположенные на боковой стороне корпуса.
Магнитный держатель представляет собой, по меньшей мере, четыре магнита, закрепленные по углам тыльной панели прямоугольного корпуса.
Измеритель напряжения и измеритель тока являются многодиапазонными.
Универсальный учебно-демонстрационный измеритель включает измеритель напряжения милливольтового диапазона и измеритель тока миллиамперного диапазона.
Гнезда для подключения измерителей напряжения и тока измерителя напряжения милливольтового диапазона и измерителя тока миллиамперного диапазона расположены на лицевой панели.
Дополнительно введены модули сопряжения, подключенные к входам измерителей времени, напряжения и тока.
Дополнительно введены модули сопряжения, подключенные к входам измерителя напряжения милливольтового диапазона и измерителя тока миллиамперного диапазона.
Сущность полезной модели и возможность достижения технического результата поясняется дальнейшим описанием со ссылками на приведенные чертежи, где
на фиг.1 изображена блок - схема устройства,
на фиг.2 показан общий вид устройства, установленного на демонстрационной доске с подключенными к нему источником питания постоянного тока, сопротивлением и ключом, и
на фиг.3 - общий вид передней и тыльной панелей и боковых сторон устройства.
Учебно-демонстрационный измеритель представляет собой универсальный демонстрационный измеритель 1, составляющие элементы которого заключены в или размещены на прямоугольном корпусе 2, размеры которого составляют порядка 167×123×44 мм. В состав демонстрационного измерителя 1 входит микроконтроллер 3, выполненный с возможностью отображения результатов измерений на экране дисплея 4. Микроконтроллер 3 управляет работой устройства, запоминает результаты измерений, сохраняет значения калибровочных коэффициентов для входящих в состав устройства приборов в энергонезависимой памяти, сохраняет в памяти идентификационный код каждого подключаемого в ходе экспериментов датчика и пробора.
В корпусе 2 размещен связанный с микроконтроллером 3 измеритель времени, представляющий собой электронный секундомер 6. Измеритель напряжения - вольтметр 7, измеритель напряжения милливольтового диапазона - милливольтметр 8, измеритель тока - амперметр 9 и измеритель тока миллиамперного диапазона - миллиамперметр 10 также установлены в корпусе 2. Выходами они подключены к микроконтроллеру 3, а входами соединены с соответствующими гнездами 11 - 16 на лицевой панели 17 корпуса 2.
Модуль сопряжения 5 выполнен с возможностью согласования поступления в микроконтроллер 3 данных от датчиков (преобразует сигналы датчиков в двоичный код и передает на микроконтроллер). Модуль сопряжения 5 имеет два канала 18, 19, связанные с разъемами 20, 21 на корпусе 2 для подключения датчиков. Разъемы 20, 21 для подключения датчиков представляют собой разъемы miniDIN8 (штекер - коннектор на 8 штырей). В состав устройства также могут входить дополнительные модули сопряжения, подключенные к входам измерителей времени, напряжения и тока.
Тыльная панель 22 корпуса 2 снабжена магнитным держателем, выполненным в виде четырех магнитов 23 для фиксации на магнитной доске 24. На боковой стороне корпуса 25 установлен разъем 26 для подключения источника питания 27. Входное напряжение источника питания 27-220 В, выходное - 12 В постоянного тока. На лицевой панели корпуса устройства размещены кнопки управления «страт» 28, «стоп/ВА» 29, «сброс/канал» 30.
Дисплей 4 размещен на лицевой панели 17 корпуса 2 и представляет собой четырехразрядный цифровой и двухразрядный символьный дисплей.
Подготовка к работе осуществляется следующим образом. Демонстрационный измеритель 1 размещают на демонстрационной магнитной доске 24, на которой он фиксируется с помощью четырех магнитов 23. В электрическую цепь подключают прибор или датчик в зависимости от задач эксперимента. Через разъем 26 на боковой стороне корпуса 2 к измерителю 1 подключают источник питания 27. Включают источник питания 27 в сеть 220 В.
При использовании одного измерителя прибор последовательно подключается в цепь через разъемы амперметра и параллельно через разъемы вольтметра. При использовании двух измерителей один из них подключается параллельно сопротивлению, а второй последовательно включается в цепь.
Для обеспечения вывода результатов измерений с датчика на устройство должны соблюдаться следующие условия:
разъемы должны быть унифицированы,
датчики и устройство должны быть совместимы по протоколу,
в памяти микроконтроллера должен присутствовать идентификационный код каждого устройства.
Пример 1. Измерение промежутков времени без вспомогательных устройств
Измеритель 1 включается сразу после включения подключенного источника питания 27 в сеть. На экране дисплея 4 появляется «----» и далее включается режим секундомера 6. Микроконтроллер 3 управляет работой секундомера 6 и запоминает результаты предыдущих циклов для выведения показаний на экран дисплея 4. В режиме секундомера без подключенных дополнительных устройств по нажатию кнопки «старт» 28 начинается отсчет времени в диапазоне 0-9,999 с точностью 0,001 с. Затем прибор переключается в режим отсчета времени с точностью до 0,01 си по достижению 99,99 повторяет цикл. При нажатии кнопки «стоп/ВА» 29 происходит остановка отсчета времени с выводом на экран последнего значения отсчета. Повторный запуск отсчета времени возможен только после нажатия кнопки «сброс/канал» 30. При нажатии кнопки «сброс/канал» 30 прибор возвращается в исходное состояние, а на экране отображается «0,000 с».
Пример 2. Измерение промежутков времени с использованием одних оптических ворот (оптические ворота представляют собой оптопару)
Эксперимент проводится при изучении скорости движения тела, когда через оптические ворота проходит тело известного размера. Оптические ворота подключают к разъему 20 или 21. Измеритель 1 автоматически переключается в режим измерения промежутка времени с запуском по переднему фронту срабатывания оптических ворот и остановкой по заднему фронту срабатывания. При этом сигнал от оптопары поступает на микроконтроллер 3 через модуль сопряжения 5, микроконтроллер 3 включает секундомер 6, производится отсчет времени, который останавливается по заднему фронту сигнала с оптопары. Время прохождения отображается на дисплее 4. По известным данным вычисляют скорость движения тела.
Пример 3. Измерение промежутков времени с использованием двух оптических ворот
Оптические ворота подключаются к обоим разъемам 20 и 21. Измеритель 1 автоматически переключается в режим запуска по переднему фронту срабатывания одних оптических ворот независимо от порядка подключения. Срабатывание на включение и выключение происходит также по переднему фронту срабатывания одних из оптических ворот дважды.
Пример 4. Измерение тока и напряжения
В исходном состоянии устройства, т.е. без подключения датчиков, с «0,000 с» на экране четырехразрядного цифрового дисплея 4, нажатием на кнопку «стоп» 29 выбирают режим измерения С, А, мА, В или мВ (отображается на символьном дисплее), что соответствует измерению времени, тока в двух диапазонах, напряжения в двух диапазонах. Ток и напряжение измеряют при установленном режиме и подключении штекеров в соответствующие гнезда 11 - 16 прибора. Правильные показания получают только при соответствии гнезд разъемов режимам измерения. Гнезда «В/мВ» 11,12 соответствуют режиму измерения в обоих диапазонах, гнезда «мА» 13,14 соответствуют режиму измерения тока с точностью до мА, гнезда «А» 15, 16 соответствуют режиму измерения тока с точностью до 0,01 А. Нажатие и удержание кнопки «старт» 28 фиксирует на дисплее 4 последнее измерение до нажатия на все время нажатия кнопки.
Пример 5. Прямое отображение показаний цифрового датчика стандарта заявителя
При подключенном цифровом датчике после включения источника питания 27 универсальный измеритель 1 автоматически переходит в режим считывания показаний датчика в абсолютных величинах. На символьном дисплее отображается обозначение измеряемой величины. Обновление показаний при опросе датчиков происходит через 800 мс. Нажатие и удержание кнопки «старт» 28 фиксирует на дисплее 4 последнее измерение до нажатия на все время удержания кнопки 28. Остальные кнопки 29, 30 в этом режиме не активны. При «горячем» подключении датчика (подключение с включенным питанием устройства) измеритель 1 переходит в исходное состояние и по нажатию кнопки «сброс/канал» 29 переходит в режим считывания показания датчика.
Пример 6. Прямое отображение показаний двух цифровых датчиков стандарта заявителя.
При двух подключенных цифровых датчиках после включения источника питания 27 универсальный измеритель 1 переходит в режим считывания показаний датчика, подключенного на первый измерительный канал 18. Нажатие кнопки «сброс/канал» циклически переключает измерительные каналы 18, 19 между собой.
Пример 7. Измерение температуры
Для измерения температуры к устройству 1 подключается датчик температуры. При этом микроконтроллер 3 запрашивает идентификационный код (для определения типа датчика: температуры, влажности и т.п.) При получении ответа по идентификационному коду на двух разрядном дисплее высвечивается обозначение измеряемой величины. Через микроконтроллер на датчик отправляется команда «старт», затем команда на измерение. Датчик производит измерение температуры и передает значение измеренной величины через модуль сопряжения в цифровом виде на микроконтроллер 3. Микроконтроллер дешифрует полученное значение и выводит на четырехразрядный дисплей 4 для отображения результата измерения.
В конструкции устройства используются стандартные блоки и элементы, серийно выпускаемые промышленностью. Поэтому заявленная полезная модель удовлетворяет условию промышленной применимости. Из уровня техники представленная полезная модель не известна, поэтому она удовлетворяет условию новизны.
Следует иметь в виду, что предшествующее детальное описание должно расцениваться как иллюстративное, а не ограничивающее, а пункты формулы предназначены для определения сущности и объема полезной модели.
1. Учебно-демонстрационный измеритель, характеризующийся тем, что включает размещенные в едином корпусе микроконтроллер, связанные с микроконтроллером дисплей, модуль сопряжения, обеспечивающий передачу данных от подключенного, по крайней мере, одного датчика в микроконтроллер, а также подключенные выходами к микроконтроллеру и соединенные входами с гнездами на корпусе измеритель времени, измеритель напряжения и измеритель тока, при этом модуль сопряжения имеет, по меньшей мере, один канал, связанный с разъемом для подключения датчика.
2. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что тыльная панель корпуса снабжена магнитным держателем для фиксации измерителя на магнитной доске.
3. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что на боковой стороне корпуса установлен разъем для подключения источника питания.
4. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что на лицевой панели корпуса размещены кнопки управления «старт», «стоп/ВА», «сброс/канал».
5. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что дисплей размещен на лицевой панели корпуса и представляет собой четырехразрядный цифровой и двухразрядный символьный дисплей.
6. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что разъемы для подключения датчиков представляют собой разъемы miniDIN8, расположенные на боковой стороне корпуса.
7. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что магнитный держатель представляет собой, по меньшей мере, четыре магнита, закрепленные по углам тыльной панели прямоугольного корпуса.
8. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что измеритель напряжения и измеритель тока являются много диапазонными.
9. Измеритель по п.8, характеризующийся тем, что он включает измеритель напряжения милливольтового диапазона и измеритель тока миллиамперного диапазона.
10. Измеритель по п.1 или 9, характеризующийся тем, что гнезда для подключения измерителей напряжения и тока, измерителя напряжения милливольтового диапазона и измерителя тока миллиамперного диапазона расположены на лицевой панели.
11. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что дополнительно введены модули сопряжения, подключенные к входам измерителей времени, напряжения и тока.
12. Измеритель по п.1, характеризующийся тем, что дополнительно введены модули сопряжения, подключенные к входам измерителя напряжения милливольтового диапазона и измерителя тока миллиамперного диапазона.
