На уроках физики учитель может использовать самостоятельно изготовленный манометр, представляющий собой аналоговый датчик давления, сопрягаемый с компьютером посредством также самостоятельно изготовленного десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя. Такой компьютерный измеритель давления (виртуальный манометр) позволяет демонстрировать учащимся на экране значение давления газа в данный момент времени и график зависимости этого давления от времени, что повышает наглядность и эффективность обучения.
Ключевые слова: виртуальный прибор, датчик давления, манометр, аналого-цифровой преобразователь, виртуальный измеритель давления.
Для представления в наглядном виде информации об измеряемой аналоговым датчиком физической величине на экране компьютера, необходим измерительный комплекс, включающий датчик измеряемой физической величины, компьютер, устройство сопряжения датчика с компьютером и программное обеспечение [1, с. 7–32; 2; 7; 8; 9].
Рис. 1. Принципиальная схема датчика давления
Основной частью любого виртуального измерительного прибора с аналоговым датчиком на базе компьютера является устройство сопряжения, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой, — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) [2; 3; 8; 9]. Фактически он представляет собой цифровой вольтметр [2; 3]. Таким образом, любой аналоговый датчик, на выходе которого получается электрическое напряжение, пропорциональное измеряемой этим датчиком физической величине, может быть согласован с АЦП, если напряжение на выходе датчика не превышает максимальное входное напряжение АЦП [5]. В предыдущих своих статьях мы уже писали о десятиразрядном АЦП на базе микросхемы TLC1549IP, который может применяться как устройство сопряжения аналоговых датчиков с компьютером и являться основным элементом учебного виртуального измерительного комплекса [2; 8; 9]. Входное напряжение такого АЦП не должно превышать 5 В, точность измерений напряжения около 0,005 В. Такой АЦП может быть изготовлен самостоятельно [5; 8; 9].
Прибор может быть подключен непосредственно к COM-порту компьютера (последовательному порту RS232) или к USB-шине компьютера с помощью адаптера USB-COM (USB to Serial Adapter). В случае подключения устройства к USB-шине необходимо будет установить специальную программу-драйвер для создания виртуального COM-порта, которая обычно поставляется производителем адаптера вместе с ним [2; 8; 9].
Принципиальная схема аналогового датчика давления на базе элемента MPX2200AP представлена на рис. 1 (также может быть изготовлен самостоятельно [9]). Датчик является абсолютным и имеет пределы измерения давления от 0 до 200 кПа [1; с. 116]. Соотношение между измеряемым давлением и напряжением на выходе элемента датчика серии MPX2200 следующее: 0 кПа — 0 В, 40 мВ — 200 кПа [1, с. 116]. В схему также включен усилитель сигнала с датчика (коэффициент усиления 100). Причем максимально возможное напряжение на выходе второго операционного усилителя микросхемы LM358 не превышает 4 В, что соответствует давлению на входе датчика, равному 200 кПа. Кроме того, в схему добавлен интегральный стабилизатор 78L05, формирующий напряжение 5 В от источника питания, для того чтобы можно было использовать в качестве такого источника 9-вольтовую гальваническую батарею [5]. На рис. 2 показан такой датчик, подключенный к мультиметру, работающему в режиме вольтметра. Схема используется для точной настройки датчика с помощью подстроечного резистора R5 и образцового манометра. На рис. 3 рядом с аналоговым датчиком давления расположен АЦП, уже упомянутый в статье. Также мы использовали этот датчик и в сочетании с другим АЦП, который подключали к LPT-порту более ранних моделей компьютеров (рис. 4, 5).
Рис. 2. Аналоговый датчик давления
Рис. 3. Датчик и АЦП для COM-порта
Рис. 4. АЦП для LPT-порта
Рис. 5. Один из вариантов исполнения АЦП
Программное обеспечение виртуального компьютерного прибора должно иметь графический интерфейс. Практика показывает, что для учебных виртуальных измерительных приборов удобнее создавать относительно небольшие программы, ориентированные на решение узкоспециальных практических задач. В этом случае пользователю программы предоставляется минимально необходимый вариант автоматизированного управления измерительной системой, что существенно облегчает его работу с ней: сокращает время подготовки прибора к работе, настройка системы не отвлекает от более важного процесса осмысления результатов измерений [4; 5; 9].
Рис. 6. Окно приложения для виртуального измерителя давления
Окно приложения, обеспечивающего работу с манометром, показано на рис. 6. Программа предназначена для работы с операционными системами Windows XP, Windows Vista и Windows 7. В окне приложения размещены: верхнее меню, включающее пункты «Файл», «Измерения», «Справка»; место для визуализации графика зависимости измеряемого давления от номера измерения (времени); индикатор, показывающий текущее значение давления; группа радиокнопок для выбора скорости проведения измерений; управляющие кнопки «Пуск/Пауза» и «Сброс»; группа радиокнопок для выбора единицы измерения давления; выпадающий список существующих на данном компьютере портов. Минимальная скорость проведения измерений давления равна 1 измерению в 2 минуты, максимальная — примерно 100 измерений в секунду (1 измерение в 0,01 секунды). Это позволяет визуализировать на экране и анализировать как относительно медленно протекающие, так и быстропротекающие процессы [4; 5; 9].
Рис. 7. Функциональная схема экспериментальной установки
На рис. 7 показана функциональная схема учебной экспериментальной установки, в составе которой используются рассмотренные в статье датчик и программное обеспечение [6; 8; 9].
Литература:
1. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с фр. / П.Гелль. — М.: ДМК Пресс, 2005. — 144 с.
2. 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.
3. Данилов О. Е. Виртуальный прибор «Цифровой вольтметр» / О. Е. Данилов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617600. — Заявка № 2011613163; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 29.09.2011.
4. Данилов О. Е. Виртуальный прибор «Цифровой манометр» / О. Е. Данилов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013619489. — Заявка № 2013615040; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 07.10.2013.
5. 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.
6. Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.
7. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.
8. 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.
9. Учебные компьютерные измерительные приборы / О. Е. Данилов. — Электрон. дан. — Сайты Google, 2011. — Режим доступа: https://sites.google.com/site/dancommeter/home. — Загл. с экрана.
