УЧЕБНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

Полезная модель относится к устройствам, которые могут быть использованы для экспериментального практикума в общеобразовательных учреждениях с целью изучения физических явлений, проведения лабораторных опытов, прикладных работ и моделирования в области физики.
Экспериментирование - необходимая и весьма важная часть изучения естественных наук в школе. Существует целое поколение школьных естественнонаучных цифровых лабораторий. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов.
В настоящее время на Российском рынке представлены цифровые лаборатории «LabQuest» компании Vernier Software and Technology (США), «Архимед» компании Fourier Systems (Израиль), «Cobra 4» компании PHYWE (Германия), «Acquire» компании Philip Harris (Великобритания) и отечественные школьные комплекты компании «L-micro» (Россия, Москва,).
Все цифровые лаборатории построены по одному принципу. Они состоят из регистрирующего блока, стандартного комплекта датчиков, укомплектованы прилагаемым программным обеспечением. Передача данных на компьютер производится по кабелю через USB-порт.
Учебные цифровые лаборатории позволяют при желании решать и межпредметные задачи - осваивать понятия и методы, относящиеся к статистике, математике, информационным технологиям, однако, как правило, они поставляются в учебные заведения в стандартной комплектации и ориентированы на определенную область естественнонаучных изысканий. Отмечая хороший дизайн и практически безотказную работу зарубежных цифровых лабораторий, следует отметить их определенные недостатки. Например, датчики различных цифровых лабораторий не взаимозаменяемы, ни по параметрам, ни по разъемам, кроме того, к разъемам регистрирующего блока невозможно присоединять другие приборы, которыми обычно укомплектованы школьные физические лаборатории, возможность подключения к нему различных исполнительных устройств также не предусмотрена. С другой стороны, стандартная комплектация этих лабораторий датчиками для проведения физических измерений довольно скудная. Например, в стандартной комплектации по физике в «LabQuest» всего 7 датчиков, в «PHYWE» - 9, в «Harris» - 8, немного больше датчиков в лабораториях «Архимед» и отечественных ЦЛ.
За прототип полезной модели взята цифровая лаборатория «АРХИМЕД» компании Fourier Systems (Израиль), стандартная комплектация датчиков которой наиболее обширна.
Прототип представляет собой регистрирующий блок, питаемый и управляемый компьютером через интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который через АЦП сообщается с группой входных контактов, и прилагаемый к регистрирующему блоку базовый набор датчиков, причем имеется возможность подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно.
Недостатком прототипа является ограниченное количество датчиков. Выбор датчиков, которые можно включить в базовый набор, очень обширный, но в приложении к конкретной выбранной области знаний - оказывается весьма ограниченным. Например, среди датчиков для измерения физических величин есть датчики температуры, давления, силы, расстояния, освещенности, радиоактивности, силы тока, напряжения, индукции магнитного поля, однако отсутствуют датчики емкости и индуктивности, датчик измерения АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) активных электронных компонентов, акустических систем и т.п., датчик измерения ВАХ (вольт-амперной характеристики) для нелинейных электронных компонентов (диод, тиристор, стабилитрон), а также для электро-вакуумных приборов, которые необходимы для проведения экспериментов при изучении соответствующих разделов физики.
Кроме того, у прототипа отсутствует возможность подключения других измерительных приборов и различных исполнительных устройств. Таким образом, его сложно использовать в проектной деятельности учащихся, применение большинства датчиков ограничивается демонстрационным экспериментом.
Задачей, на которую направлена предлагаемая полезная модель, является создание учебной лаборатории, выполненной с расширенным, по сравнению с существующими, набором датчиков физических величин, и с возможностью осуществления работы автономно от внешнего компьютера для подключения дополнительных измерительных приборов и различных исполнительных устройств.
Технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства, обеспечивается тем, что учебная лаборатория состоит из базового набора датчиков и регистрирующего блока, включающего интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который соединен с кварцевым генератором, с преобразователем напряжения и через АЦП и коммутатор с группой входных контактов, выполненный с возможностью подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно.
Новым является то, что в конструкции учебной лаборатории предусмотрены дополнительный вход для дополнительного источника питания, который через дополнительный преобразователь напряжения соединен с микроконтроллером, и аналоговый порт, который через АЦП-ЦАП также соединен с микроконтроллером, а в базовый набор датчиков дополнительно включены датчики измерения индуктивности, емкости, АЧХ и ВАХ.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором приведена схема регистрирующего блока учебной лаборатории (см. Фиг. 1).
Учебная лаборатория состоит из регистрирующего блока и базового набора датчиков, к которым прилагается носитель с оригинальным программным обеспечением для установки на внешнем персональном компьютере.
Регистрирующий блок (см. Фиг. 1) учебной лаборатории включает интерфейс USB 1 (не путать с протоколом) для соединения внешнего персонального компьютера с микроконтроллером 2, кварцевый генератор 3, осуществляющий синхронизацию всех узлов устройства, преобразователь напряжения 4, дополнительный вход 5 для подключения дополнительного источника питания, соединенный через дополнительный преобразователь напряжения 6 с микроконтроллером 2, группу входных контактов 7, которая через коммутатор 8 и преобразователь 9 соединена с микроконтроллером 2, а также соединенный с микроконтроллером 2 через АЦП-ЦАП 10 аналоговый порт 11.
Работа учебной лаборатории, получившей название «Кулибин», осуществляется следующим образом.
В случае подключения регистрирующего блока к внешнему персональному компьютеру все управление работой осуществляется от компьютера через интерфейс USB 1 с помощью микроконтроллера 2 Atmel ATMEGHA328P-PU. При подключении прибора к внешнему персональному компьютеру с помощью интерфейса USB 1 устанавливается соединение через драйвер устройства. При этом внешний персональный компьютер может передавать в микроконтроллер 2 команды и получать из него данные. Электропитание устройства осуществляется от линии +5 В шины USB, из которых преобразователем напряжения 4 формируются необходимые напряжения для питания микроконтроллера 2 и других элементов устройства.
При необходимости вывода управляющих сигналов на аналоговые приборы индикации или на различные исполнительные механизмы (шаговые двигатели, размыкатели, электромагнитные реле и т.п.) и роботизированные устройства, как стандартные, так и создаваемых учащимися в процессе творческой деятельности, т.е. при необходимости подключения нагрузки, для которой использование интерфейса USB невозможно, осуществляется режим работы регистрирующего блока автономно от внешнего персонального компьютера, напряжение +5 В подается от дополнительного источника через дополнительный вход 5, а необходимые напряжения формирует дополнительный преобразователь напряжения 6.
Синхронизация работы всех узлов устройства обеспечивается кварцевым генератором 3 с частотой 8 МГц.
Цикл работы устройства осуществляется следующим образом. При подаче напряжения инициируется внутренняя программа микроконтроллера 2, которая тестирует устройство и выдает звуковой и световой сигналы о готовности к работе.
Далее, в случае работы с внешним персональным компьютером, к группе входных контактов 7 подключаются датчики (до 3-х одновременно), которые через кодовые резисторы распознаются коммутатором 8, который также подает на определенные датчики питание в случае необходимости. Сигналы с датчиков через коммутатор 8 и преобразователь 9 поступают в микроконтроллер 2, затем через интерфейс USB 1 данные измерений для визуализации, обработки и хранения поступают во внешний персональный компьютер.
В случае осуществления режима работы регистрирующего блока автономно от внешнего персонального компьютера управляющие сигналы с микроконтроллера 2 через АЦП-ЦАП 10 подаются на подключаемые аналоговые устройства через аналоговый порт 11 и, соответственно, принимаемая от аналоговых устройств информация через аналоговый порт 11 и АЦП-ЦАП 10 поступает обратно в микроконтроллер 2.
В базовую комплектацию датчиков учебной лаборатории «Кулибин» входят те же датчики, что и у прототипа, и несколько дополнительных датчиков, которые весьма существенны в рамках изучения школьной программы по курсу «Электричество и магнетизм». Кроме того, по стоимости учебная лаборатория «Кулибин» значительно выгоднее зарубежных аналогов. Сравнительные данные отражены в приведенных ниже таблицах.
Сравнение базовых комплектаций учебных лабораторий по курсу «Электричество и магнетизм»
№ п/п
Разработчик, наименование
Наличие датчика в базовом комплекте
тока
напряжения
индукции магнитного поля
электростатического заряда
электропроводности
индуктивности
емкости
измерения АЧХ
измерения ВАХ
1
Vernier Software & Technology (USA) LabQuest'2
√
√
√
√
√
2
Philip Harris (UK) Acquire
√
√
√
3
PHYWE (Germany) Cobra 4
√
√
√
√
4
Fourier Systems (Israel) Arhimed
√
√
√
√
√
√
√
√
√
5
ООО «МЕДУЗА» (Россия) «Кулибин»
√
√
√
√
√
√
√
√
√
Сравнение стоимости представленных на российском рынке учебных лабораторий, укомплектованных десятью стандартными датчиками
№ п/п
Наименование компании-производителя
Цена за: (валюта/рубли)
электрон, блок
10 датчиков в базе
1
Vernier Software and Technology, США, http://www.vernier.com
LabQuest
2455 $/13650 руб.
746 $/22380 руб.
2
Fourier Systems, Израиль, http://fourieredu.com
Архимед 4 Nova Link
270 $/8100 руб.
927$ / 29700 руб.
3
PHYWE, Германия, www.phywe.de
Cobra 4 USB Link
310 €/12710 руб.
520 €/21320 руб.
4
Philip Harris, Великобритания, www.philipharris.co.uk
Acquire, в комплекте с 10 датчиками
729,95 £ /36498 руб.
5
ООО «МЕДУЗА», РОССИЯ
Кулибин не более 6500 руб.
не более 14500 руб.
Таким образом, предлагаемая учебная лаборатория «Кулибин» в стандартной комплектации обладает большим, по сравнению с аналогами, количеством необходимых датчиков для физических измерений, обладает возможностью осуществления работы автономно от внешнего компьютера и возможностью подключения дополнительных измерительных приборов и различных исполнительных устройств, а значит, обладает расширенными по сравнению с аналогами функциональными возможностями.