В статье приводится описание компьютерного программного обеспечения для цифрового измерителя температуры. Также рассматриваются функциональная и принципиальная схемы такого измерителя.
Ключевые слова:виртуальный прибор, виртуальный термометр, опыты по физике, программное обеспечение, учебный физический эксперимент.
Для того чтобы цифровые измерительные системы могли воспринимать информацию из окружающей их среды, необходимы интерфейсные устройства, преобразующие разнообразные физические величины в электрические сигналы [2; 4]. Этими устройствами могут быть современные датчики [5; 6; 11; 17; 21; 22]. Пока большинство таких дешевых устройств являются не цифровыми, а аналоговыми [1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 9]. Тем не менее, любой аналоговый электрический сигнал, получающийся на выходе датчика, можно затем представить в виде двоичных кодов, которые могут быть приняты и обработаны микропроцессорными системами или компьютерами [1; 3; 11]. Это позволяет автоматизировать проводимые с помощью датчиков измерения и осуществлять хранение результатов измерений в электронном виде [1; 2; 5; 6; 7; 11; 16; 17; 19; 20; 21; 22].
Все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики (рис. 1). Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, составные датчики перед тем, как получить электрический сигнал на выходе, осуществляют одно или несколько других преобразований сигнала.
Рис. 1. Простой датчик (датчик прямого действия) и составной датчик: 1, 2 и 3 — преобразователи сигнала
В случае применения цифрового датчика компьютерный измерительный комплекс должен включать следующий минимальный набор элементов: датчик, компьютер и программное обеспечение (рис. 2) [14; 15; 18]. В этой статье мы рассмотрим вариант предлагаемого нами виртуального измерителя с цифровым датчиком температуры [22].
Рис. 2. Функциональная схема цифрового измерителя
В настоящее время получили широкое распространение миниатюрные полупроводниковые датчики температуры, действие которых основано на измерении частоты колебаний встроенного температурозависимого автогенератора. Они откалиброваны на заводе-изготовителе и передают результаты измерений в двоичном коде. Такими датчиками являются, например, DS1820, DS18S20 и DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor, снабженные однопроводным (1-Wire) интерфейсом. Каждому датчику присвоен уникальный двоичный номер, который считывается по этому же интерфейсу. На рис. 3 представлена принципиальная схема цифрового датчика температуры, реализованного на базе микросхем серии DS1820 [22].
Рис. 3. Принципиальная схема цифрового датчика температуры
В своей работе мы используем датчик DS18B20. Его диапазон измерений температур находится в интервале от –55°C до +125°C. Датчик имеет точность 0,5°C в диапазоне от –10°C до +85°C. Для питания может использоваться напряжение линии данных, тогда можно обойтись без внешнего источника питания. В этом случае максимальная измеряемая температура составляет +100°C. Для расширения диапазона температур до +125°C необходимо использовать внешнее питание [22].
Окно приложения, визуализирующего процесс измерения температуры с помощью датчика DS18B20, представлено на рис. 4. Приложение создано в среде программирования Borland Delphi. Кроме рисунков с изображениями датчиков и принципиальной схемы форма приложения содержит: шкалу термометра; график зависимости температуры от времени; индикаторы с текущими значениями температуры согласно шкалам Кельвина и Цельсия; радиокнопку для включения автоматического выбора масштаба графика; окна для выбора верхней и нижней границы экрана для вывода графика; радиокнопку для включения контроля температуры; окна для выбора верхнего и нижнего уровня контроля температуры; управляющие кнопки «Пуск/Пауза», «Стоп» и «Выход» и другие элементы [22].
Рис. 4. Окно приложения для визуализации измерений температуры
Слева на форме приложения размещено изображение жидкостного термометра, по шкале которого пользователь может перемещать метки, обозначающие максимально и минимально допустимые при измерениях значения температуры. Это необходимо в том случае, когда термометр используется как часть автоматизированной установки для отслеживания заданного интервала температур. При выходе значения температуры из заданного интервала программа издает звуковой сигнал, предупреждающий оператора. Границы визуализируемого программой температурного графика определяются пользователем, либо устанавливаются автоматически программой в зависимости от измеряемой температуры. В программе также предусмотрена запись значений температуры в файл. Временной интервал, разделяющий записи, устанавливается пользователем.
Рис. 5. Результаты опыта по нагреванию и охлаждению датчика
Датчик температуры, используемый вместе с программой, является довольно чувствительным и менее инертным в сравнении со многими известными нам аналоговыми датчиками температуры. Применение его в сочетании с программой позволяет в режиме реального времени наблюдать изменение температуры какого-либо тела, контактирующего с датчиком, или окружающей датчик среды. Такие ситуации очень часто возникают при демонстрациях опытов в школе на уроках физики и химии [10; 12; 13]. В этих случаях применение такого виртуального термометра является наиболее эффективным при обучении. Например, на рис. 5 показаны результаты опыта по нагреванию датчика при прикосновении к нему руки человека и его последующему охлаждению до комнатной температуры. Видно, что зависимости температуры от времени при нагревании и охлаждении датчика похожи на экспоненциальные.
Литература:
1. Данилов О. Е. Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 4. — С. 114–119.
2. Данилов О. Е. Выбор интерфейса для подключения самодельных датчиков к компьютерной экспериментальной установке / О. Е. Данилов // Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики: Сборник материалов научно-практической конференции. Ч. 1. / Отв. ред. А. А. Богуславский. — Коломна: Московский государственный областной социально-гуманитарный институт, 2010. — С. 152–155.
3. Данилов О. Е. Компьютерный вольтметр на базе микросхемы TLC1549 / О. Е. Данилов // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: Программа и материалы шестнадцатой Всероссийской научно-практической конференции. — Глазов: ГГПИ, 2011. — С. 49.
4. Данилов О. Е. Компьютерный вольтметр как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса / О. Е. Данилов // Проблемы и перспективы развития образования в России: Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции / Под общ. ред. С. С. Чернова. — Новосибирск: Издательство НГТУ, 2011. — С. 131–134.
5. Данилов О. Е. Компьютерный люксметр для учебных исследований / О. Е. Данилов // Современные проблемы науки 2011: Сборник статей Международной заочной научно-практической конференции; Под общ. ред. Н. А. Максимовой. — Смоленск, Принт-Экспресс, 2011. — С. 99–103.
6. Данилов О. Е. Компьютерный манометр с аналоговым датчиком давления для учебного физического эксперимента / О. Е. Данилов // Новые технологии в образовании: Материалы VII Международной научно-практической конференции (28 февраля 2011 г.): Сборник научных трудов; Под ред. Г. Ф. Гребенщикова. — М.: Издательство «Спутник+", 2011. — С. 233–236.
7. Данилов О. Е. Компьютерные технологии в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Модели и моделирование в методике обучения физике: Материалы докладов V Всероссийской научно-теоретической конференции. — Киров: КИПК и ПРО, 2010. — С. 54–55.
8. Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.
9. Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Молекулярная физика и термодинамика. Рабочая тетрадь студента / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2007. — 84 с.
10. Данилов О. Е. Освоение технологии компьютерных измерений как важный компонент повышения профессиональной компетентности учителя физики / О. Е. Данилов // Настоящее и будущее физико-математического образования: Материалы докладов II Всероссийской научно-практической конференции. 10 декабря 2010 г. Отв. ред. Ю. А. Сауров. — Киров: Изд-во ВятГГУ, 2010. — С. 26–27.
11. Данилов О. Е. Применение аналоговых и цифровых датчиков при компьютерных измерениях на уроках физики / О. Е. Данилов // Педагогическая наука — нашей новой школе: Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Восьмые Есиповские чтения»; Под ред. Л. А. Каракуловой. — Глазов: Глазов. гос. пед. ин-т, 2012. — С. 167–168.
12. Данилов О. Е. Применение информационных коммуникационных технологий в процессе обучения / О. Е. Данилов // Актуальные вопросы современной науки: Материалы XIII Международной научно-практической конференции (31 октября 2011 г.): Сборник научных трудов; Под ред. И. А. Рудаковой. — М.: Издательство «Спутник+", 2011. — С. 23–28.
13. Данилов О. Е. Применение информационных компьютерных технологий при обучении физике / О. Е. Данилов // Проектирование содержания образования: подходы, стандарты, социальные практики: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, 27–29 апреля 2011 г.; Под ред. О. А. Фиофановой. — Ижевск, 2011. — С. 179–183.
14. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.
15. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий при обучении физике / О. Е. Данилов // Современные формы культурной коммуникации: вызов информационного общества. Материалы Всероссийской научной конференции. — Тверь: Тверской филиал Московской финансово-юридической академии, 2011. — С. 199–202.
16. Данилов О. Е. Применение компьютера в учебных физических исследованиях / О. Е. Данилов // Модели и моделирование в методике обучения физике: Материалы докладов республиканской научно-теоретической конференции. — Киров: КИПК и ПРО, 2007. — С. 86–87.
17. Данилов О. Е. Применение современных датчиков в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Проблемы школьного и дошкольного образования: Материалы регионального научно-практического семинара «Достижения науки и практики — в деятельность образовательных учреждений». — Глазов: Глазов. гос. пед. ин-т, 2010. — С. 21–22.
18. Данилов О. Е. Программное обеспечение учебного виртуального измерительного прибора / О. Е. Данилов // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в образовании» (21 ноября 2011 г.). — Ульяновск: Изд-во УлГПУ, 2011. — C. 44–45.
19. Данилов О. Е. Решение проблемы многоканальных цифровых измерений в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: Программа и материалы пятнадцатой Всероссийской научно-практической конференции. — Глазов: ГГПИ, 2010. — С. 54.
20. Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.
21. Данилов О. Е. Учебный компьютерный термометр с аналоговым датчиком температуры / О. Е. Данилов // Актуальные проблемы математики, физики, информатики в вузе и школе: Материалы Всероссийской региональной научно-практической конференции, 25 марта 2011 г. — Комсомольск-на-Амуре: Изд-во АмГПГУ, 2011. — С. 209–213.
22. Данилов О. Е. Учебный компьютерный термометр с цифровым датчиком температуры / О. Е. Данилов // Проблемы школьного и дошкольного образования: Материалы II регионального науч.-практ. семинара «Достижения науки и практики — в деятельность образовательных учреждений». — Глазов: Глазов. гос. пед. ин-т, 2011. — С. 109.
