CN111028639A - 一种用于物理电学的电路连接自动检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物理电学的电路连接自动检测领域，一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，将电池盒、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器等元件的两端分别连接信号发生检测装置，信号发生检测装置能够利用无线通信接收命令，输出脉冲信号和检测脉冲信号。电路连接完成后，上位机发送检测命令，控制终端采用无线通信方式给信号发生检测装置发送脉冲产生和脉冲检测命令，信号发生检测装置产生脉冲，根据检测到脉冲的信号发生检测装置的ID编号判断元件之间的连接关系，控制终端将接收数据发送给上位机，上位机软件根据接收数据显示电路连接图，并根据电路功能，自动判断电路连接是否正确。
Description
技术领域
本发明一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，属于物理电学的电路连接检测技术领域。
背景技术
物理电学实验过程中，由学生根据实验电路图，将电池组、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器等元器件利用导线进行实物连接，连接完成后，由实验指导老师进行电路检查，这种检查方式比较费时费力，尤其当电路复杂时，连接导线较多，可能会存在电路检查出现误判情况，而且，在物理电学实验考试过程中，由监考老师进行电路连接检查，难免出现检测错误导致的不公平现象。
为了实现物理电学电路的快速准确检查，设计一种物理电学的电路连接自动检测系统，电路连接完成后，上位机发送检测命令，能够快速、自动检测电路连接，将电路连接图在上位机上显示，并根据电路功能，自动判断电路连接是否正确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：电路连接完成后，如何通过计算机快速检测电路连接是否正确，并通过计算机将电路连接图显示出来。
本发明所采用的技术方案是：一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，包括设计元件、信号发生检测装置、上位机、控制终端，每个设计元件的两端分别连接信号发生检测装置，上位机通过RS232串口连接控制终端，控制终端通过无线信号连接信号发生检测装置；信号发生检测装置为每个设计元件分配不同的地址，上位机将控制命令以RS232串口协议发送给控制终端，控制终端采用无线通信方式给各个信号发生检测装置发送命令，当每个信号发生检测装置接收到命令后，输出固定频率的脉冲信号，每个信号发生检测装置都接收其它信号发生装置发出的脉冲信号并将接收到的脉冲信号作为检测结果以无线通信方式发送给控制终端，控制终端接收每个信号发生检测装置发来的型号后以RS232串口协议发送给上位机。上位机为普通电脑。
所述的信号发生检测装置由电感、电容、单片机、无线通信模块组成，其中单片机芯片选用51系列单片机、MSP430系列或STM32系列单片机，无线通信模块选用NRF24L01无线射频通信模块。
所述的控制终端由单片机、无线通信模块、USB转串口电路组成，，其中单片机芯片选用51系列单片机、MSP430系列或STM32系列单片机，无线通信模块选用NRF24L01无线射频通信模块，USB转串口芯片型号为CH340G，控制终端通过USB电缆连接上位机。
设计元件为电池组、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器、电感、电容等中的任意多个，即为电池组、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器、电感、电容等中的任意多个组合，其中每个元素（电池组、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器、电感、电容） 为任意多个（其中某个元素可以为0个）。
本发明的有益效果是：本发明通过计算机对物理电学实验电路是否正确进行检测，能够快速准确的得出检测结果。
附图说明
图1是本发明的信号发生检测装置连接示意图；
图2是为本发明灯泡与信号发生检测装置的电路连接图；
图3是本发明控制终端电路连接图；
图4是本发明USB转串口电路图；
图5是控制终端发送的脉冲产生命令帧格式；
图6是信号发生检测装置产生脉冲后向控制终端发送的数据帧格式；
图7是控制终端发送的脉冲检测命令帧格式；
图8是信号发生检测装置检测到脉冲后向控制终端发送的数据帧格式。
具体实施方式
利用电感通直流隔交流、电容通交流隔直流特性，设计信号发生检测装置，内部结构如图1所示，主要由电感、电容、单片机、无线模块组成，该装置能够输出和检测脉冲信号，并以无线通信方式与控制终端通信。在电池盒（内部有电池组）、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器等元件的两端分别连接信号发生检测装置，信号发生检测装置的B端连接元件，如灯泡与信号发生检测装置的连接如图2所示，每个信号发生检测装置分配不同的ID编号。
控制终端内部结构如图3所示，主要由单片机、无线模块、USB转串口电路组成，USB转串口电路如图4所示，该终端通过USB电缆与上位机通信，接收上位机发送的命令，并将接收命令以无线通信方式发送给所有信号发生检测装置，控制终端发送的脉冲产生命令帧格式如图5所示。信号发生检测装置根据收到的命令帧中的ID判断是否产生输出脉冲，如果命令帧中的ID与信号发生检测装置分配的ID相同则输出脉冲，信号发生检测装置产生脉冲后向控制终端发送的数据帧格式如图6所示，控制终端发送的脉冲检测命令帧格式如图7所示，信号发生检测装置检测到脉冲后向控制终端发送的数据帧格式如图8所示。控制终端将接收数据以串行通信协议方式传输给上位机，上位机根据接收信息显示电路连接关系。
本发明设计的信号发生检测装置分别安装在电池组、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器等元件的两端，信号发生检测装置的B端连接元件，每个信号发生检测装置分配不同的ID编号，ID编号为8bit，如电池盒正端连接的信号发生检测装置ID编号为0X01，电池盒负端连接的信号发生检测装置ID编号为0X02，某灯泡一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X02，灯泡另一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X03，某开关一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X04，开关另一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X05，某电压表一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X06，电压表另一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X07，某电流表一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X08，电流表另一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X09，某滑动变阻器一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X0A，滑动变阻器另一端连接的信号发生检测装置ID编号为0X0B。
电路连接完成后，上位机通过串口通信协议给控制终端发送脉冲信号产生命令，控制终端收到命令后通过无线模块发送给各信号发生检测装置，首先发送的脉冲产生命令帧中信号发生检测装置的ID为电池盒正端连接的信号发生检测装置ID（0X01），电池盒正端连接的信号发生检测装置收到命令后，输出40KHz的脉冲信号，然后给控制终端发送脉冲信号产生完成信息，数据帧格式如图6所示，其中数据帧中的第二字节为电池盒正端连接的信号发生检测装置的ID。控制终端接收到脉冲信号产生完成数据帧后，发送脉冲检测命令帧，帧格式如图7所示，第二字节为产生脉冲信号的信号发生检测装置ID，其余信号检测发生装置接收到该命令帧后，进行脉冲检测，如果检测到40KHz的脉冲信号，则向控制终端发送脉冲检测数据帧，帧格式如图8所示，其中第二字节为检测到脉冲信号的信号发生检测装置ID。控制终端接收到该数据帧后，将接收数据通过串口通信协议发送给上位机，上位机显示电池盒正端与该信号发生检测装置连接的元件相连，上位机继续通过串口通信协议给控制终端发送脉冲信号产生命令，控制上述元件另一端连接的信号发生检测装置产生脉冲信号，按照上面描述的控制流程继续检测，直至电池盒负端连接的信号发生检测装置检测到脉冲信号，则在上位机上显示出电路连接图，并根据当前电路实现功能，自动判断电路连接是否正确。
当某一个信号发生检测装置产生脉冲信号后，如果多个信号发生检测装置都检测到脉冲信号，则检测到脉冲信号的信号发生检测装置均向控制终端发送脉冲检测数据帧，控制终端将接收数据发送给上位机，上位机软件依次控制上述信号发生检测装置连接的元件另一端的信号发生检测装置输出脉冲，并显示电路连接关系。
本发明定义的数据帧、命令帧由3个字节组成，第一个字节为帧类别，0X01表示控制终端发送的脉冲产生命令帧，0X02表示信号发生检测装置产生脉冲后向控制终端发送的数据帧，0X03表示控制终端发送的脉冲检测命令帧，0X04表示信号发生检测装置检测到脉冲后向控制终端发送的数据帧；第二个字节为信号发生检测装置的ID；第三个字节为校验，该校验定义为第一个字节和第二个字节相加之和。
本发明使用的无线传输模块采用2.4GHz射频模块NRF24L01，控制终端中使用的无线模块定义为主节点，各信号发生检测装置中使用的无线模块定义为从节点，采用一主多从通讯方式，各从节点使用的无线模块地址相同，主节点使用的无线模块地址与从节点设置的地址不同，各从节点可同时接收主节点发送的数据，当主节点向各从节点发送脉冲产生命令帧时，各从节点同时接收该命令帧，根据命令帧中第二个字节内容判断是否与各节点分配的ID相同，如相同则该节点连接的信号发生检测装置产生脉冲信号，如不同则不产生脉冲信号。主节点可接收所有从节点发送的数据，根据接收数据帧中的第二字节判断发送数据的节点ID编号。当多个从节点同时向主节点发送数据时信道冲突，采用延时策略，延时一段时间后，重新发送数据。
Claims (4)
1.一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，其特征在于：包括设计元件、信号发生检测装置、上位机、控制终端，设计元件有多个，每个设计元件的两端分别连接信号发生检测装置，上位机通过RS232串口连接控制终端，控制终端通过无线信号连接信号发生检测装置；信号发生检测装置为每个设计元件分配不同的地址，上位机将控制命令以RS232串口协议发送给控制终端，控制终端采用无线通信方式给各个信号发生检测装置发送命令，当每个信号发生检测装置接收到命令后，输出固定频率的脉冲信号，每个信号发生检测装置都接收其它信号发生装置发出的脉冲信号并将接收到的脉冲信号作为检测结果以无线通信方式发送给控制终端，控制终端接收每个信号发生检测装置发来的型号后以RS232串口协议发送给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，其特征在于：所述的信号发生检测装置由电感、电容、单片机、无线通信模块组成，其中单片机芯片选用51系列单片机、MSP430系列或STM32系列单片机，无线通信模块选用NRF24L01无线射频通信模块。
3.根据权利要求1所述的一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，其特征在于：所述的控制终端由单片机、无线通信模块、USB转串口电路组成，，其中单片机芯片选用51系列单片机、MSP430系列或STM32系列单片机，无线通信模块选用NRF24L01无线射频通信模块，USB转串口芯片型号为CH340G，控制终端通过USB电缆连接上位机。
4.根据权利要求1所述的一种用于物理电学的电路连接自动检测系统，其特征在于：设计元件为电池组、灯泡、开关、电压表、电流表、滑动变阻器、电感、电容中的任意多个。
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