具有連接提示功能的電路實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備

秦源辰 王淑嫻

摘? ?要：電路實(shí)驗(yàn)作為一門(mén)基礎(chǔ)課程，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，電路形式更加復(fù)雜靈活。這種情況下，若采用傳統(tǒng)的電路連接形式耗時(shí)耗力，線路多、復(fù)雜且不易檢查，帶來(lái)了麻煩。因此，特對(duì)傳統(tǒng)連接系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。用獨(dú)立的電路元器件模塊的插拔來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的連接，代替?zhèn)鹘y(tǒng)連線方式。同時(shí)，利用數(shù)字溫度傳感器識(shí)別定位，通過(guò)在單片機(jī)屏幕上顯示“NONE”“CORRECT”“WRONG”實(shí)現(xiàn)對(duì)連接的提示功能。

關(guān)鍵詞：模塊優(yōu)化? 連接提示? STM32F4單片機(jī)? DS18B20數(shù)字溫度傳感器? 上位機(jī)

中圖分類號(hào)：P631.222? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（a）-0097-03

1? 項(xiàng)目背景及意義

電路是物理學(xué)中一門(mén)重要的基礎(chǔ)學(xué)科，而電路實(shí)驗(yàn)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，是電路知識(shí)的基礎(chǔ)和依據(jù)，是學(xué)生探究電路規(guī)律、檢驗(yàn)電路定理的方法和途徑。它具有極強(qiáng)的實(shí)踐性，考察了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作、獨(dú)立思考、創(chuàng)新合作的能力，在電路學(xué)習(xí)過(guò)程中有著不可替代的作用。

隨著對(duì)電路知識(shí)學(xué)習(xí)的不斷深入，電路的元器件組成、連接方式更加復(fù)雜靈活，電路實(shí)現(xiàn)的功能更加全面完備。在這種情況下，以導(dǎo)線為連接媒介的傳統(tǒng)電路連接方式的弊端也越發(fā)明顯：首先，電路圖更復(fù)雜，線路變多，連接起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力;其二，由于導(dǎo)線多、交叉縱橫，而連接的正確與否無(wú)法立刻得到反饋，為完成實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了不必要的麻煩。

基于以上存在的問(wèn)題，我們?cè)趥鹘y(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)連接系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，構(gòu)建了具有提示功能的電路實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，以元器件小模塊的插拔代替線路連接，以此實(shí)現(xiàn)電路連接的優(yōu)化的功能。

同時(shí)我們編寫(xiě)了上位機(jī)程序，使單片機(jī)與電腦連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情況。

2? 設(shè)備介紹（如圖）

本設(shè)計(jì)由實(shí)驗(yàn)設(shè)備，單片機(jī)和上位機(jī)三部分構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為接插板，檢測(cè)板構(gòu)成的大模塊，元器件和定位模塊構(gòu)成的小模塊。單片機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備一起組成了下位機(jī)。上位機(jī)則由我們的電腦端擔(dān)任。下位機(jī)通過(guò)TTL-USB接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

3? 工作原理

設(shè)備主要由一塊檢測(cè)板、一塊連接板以及若干元器件小模塊組成。

底板是檢測(cè)板與單片機(jī)相連，上層是所做閃爍燈電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)連接板，每一個(gè)元器件小模塊都是由電路和一個(gè)定位模塊組成，我們利DS18B20用數(shù)字溫度傳感器來(lái)進(jìn)行識(shí)別定位。

我們定義了一個(gè)二維數(shù)組，輸入所有的數(shù)字溫度傳感器的ID號(hào)，通過(guò)不斷地讀取數(shù)字溫度傳感器的溫度，遍歷一次，如果可以讀到，即該部分有元器件的插入，此時(shí)進(jìn)入下一層判斷。以電阻為例，讀此時(shí)已插入的電阻對(duì)應(yīng)的ID號(hào)對(duì)應(yīng)的的數(shù)字溫度傳感器的溫度，如果可以讀到，則插入正確，反之則錯(cuò)誤。將編寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)單片機(jī)屏幕上的反饋提示來(lái)判斷電路連接的狀況，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接提示的功能。電路全部連接完成后即可按下開(kāi)關(guān)，觀察電路實(shí)驗(yàn)的最終現(xiàn)象

下位機(jī)以R1為例，以下為程序說(shuō)明：

void DS18B20_Process_R1（void）? ?//判斷元器件狀態(tài)的函數(shù)

{

u8 i，Total_R1=0，Correct_R1=0，Wrong_R1=0;

short Temp;

for（i = 0;i < All_DS18B20;i ++）

{

Temp =

DS18B20_ReadDesignateTemper_R1（ID_Buff[i]）;

// 讀取全部DS18B20的溫度

if（Temp>0）

Total_R1++;

}

Temp =

DS18B20_ReadDesignateTemper_R1（ID_Buff[0]）;

//讀取R1所對(duì)應(yīng)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度

if（Temp>0）

Correct_R1++;

Wrong_R1=Total_R1-Correct_R1;

if（Correct_R1==0&&Wrong_R1==0）

R1_Status=0;

if（Correct_R1==1&&Wrong_R1==0）

R1_Status=2;

if（Correct_R1==0&&Wrong_R1==1）

R1_Status=1;

}

上位機(jī)則包含兩個(gè)界面，一個(gè)是電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的實(shí)時(shí)情況，另一個(gè)為串口設(shè)置界面。將串口打開(kāi)后，電腦將接收單片機(jī)傳輸上來(lái)的信息。然后將字符串拆分，判斷，在界面上通過(guò)不同顏色的矩形框顯示電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的情況。

上位機(jī)以命令內(nèi)容改變事件為例，程序如下：

Private void labelCommandContent_TextChanged（object sender， EventArgs e）

{

char[] plusSpliter = { '+' };

//將收到的指令進(jìn)行字符串分割

string[] strInformation =

labelCommandContent.Text.Split（plusSpliter， StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries）;

//指令的第一字段為元器件名稱

strComponent = strInformation[0];

//指令的第二字段為元器件名稱

strStatus = strInformation[1];

switch （strComponent）//先識(shí)別元器件

{

case "R1"： ShowPositionAndStatus（195， 90， strStatus）; break;//對(duì)R1狀態(tài)進(jìn)行判斷

}

}

4 使用說(shuō)明

根據(jù)電路圖，將每一個(gè)小模塊插入連接板相應(yīng)的位置。若對(duì)應(yīng)元器件小模塊未插入，則單片機(jī)屏幕上顯示“NONE”;若元器件小模塊插入但不是正確的位置，則單片機(jī)屏幕上顯示“WRONG”;若元器件小模塊插入且正確，則單片機(jī)屏幕上顯示“CORRECT”。將單片機(jī)通過(guò)USB接口與電腦相連，打開(kāi)串口后，電腦端上位機(jī)系統(tǒng)即可正常工作。上位機(jī)軟件由C#編寫(xiě)，展示界面如下圖：

5? 創(chuàng)新點(diǎn)

在電路連接的過(guò)程中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電路連接的正確性。當(dāng)提示所有模塊均為“CORRECT”時(shí)，說(shuō)明電路連接完成，此時(shí)給插接板供電，一定可以正常工作。

將單片機(jī)和電腦引入到電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，簡(jiǎn)化電路實(shí)驗(yàn)。

模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，方便拆卸更換。產(chǎn)品體積小巧，方便實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝放置。

6? 總結(jié)

此款電路實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器， STM32F4單片機(jī)，PCB電路板以及電腦的上位機(jī)通力合作，通過(guò)改變學(xué)生連接電路的方式來(lái)幫助學(xué)生完成電路實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)電路電子的學(xué)習(xí)和了解。電腦端的上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示可以幫助老師查看學(xué)生的完成情況，做到高效完成實(shí)驗(yàn)課教學(xué)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊義勇，鄭凱.機(jī)械三維設(shè)計(jì)實(shí)用教程（SolidWorks）[M/CD].北京：清華大學(xué)，2013：50-220.

[2] 劉軍.STM32F4開(kāi)發(fā)指南-庫(kù)函數(shù)版本_V3.1[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015：483-490.

[3] 鄭振宇，林超文，徐龍俊.AltiumDesignerPCB畫(huà)板速成[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：14-86.

[4] 杜洋，李蒼源.C#串口通信[M].北京：杜洋工作室出版社，2014：5-14.