一种伽尔顿板远程控制实验系统

摘要

本发明涉及一种伽尔顿板远程控制实验系统，包括人机交互接口、上位机、下位机、摄像监控装置和伽尔顿板实验装置，所述人机交互接口与上位机相连，所述摄像监控装置与上位机相连，所述上位机通过下位机与伽尔顿板实验装置相连。本发明具有使用方便快捷、教学资源可共享、操作简单等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种远程控制实验系统，尤其涉及一种伽尔顿板远程控制实验 系统。

背景技术

一块竖直固定的板上部钉有许多排列整齐的螺钉，板的下部用等长的木条竖 直地隔成许多等宽的狭槽，板顶部的中央有入口处可以投入小球，板前面覆盖 透明板，使小球能存留在槽内，这种装置叫作伽尔顿板，伽尔顿板实验用于演 示大量随机事件的统计规律与涨落现象，说明物理学中统计与分布概念。具体 实验方法如下：如果从板顶漏斗形入口处放下一个小球，小球碰到板上边第一 排中某一螺钉后，偏向一方又落到第二排中某一螺钉上，向左或向右偏移，接 着再落到下一排某一螺钉上，这样小球依次往下落，最后落入某一槽中，如此 反复进行几次实验，可以发现小球每次落入哪个狭槽是不完全相同的，这表明 在一次实验中小球落入哪个狭槽中是偶然的；如果同时投入足够多的小球，就 会出现落在各槽里的小球数目各不相同的现象，落在中间槽内的小球最多，距 离中间槽越远的槽，小球落入的越少，用彩笔在玻璃板上画一条连续的曲线来 表示小球分布情况的分布曲线，如果多次重复地做下去，就会出现多次实验所 得的分布曲线彼此近似重合的现象，这表明，尽管一个小球落入哪个槽中是偶 然的，但大量小球落入槽中的分布规律是确定的，遵循统计分布规律。

物理教学中，上实验课是必不可少的一个环节，而目前中国的教学模式普遍 为先上理论课，后上实验课，通常，理论课和实验课都相隔一学期，存在理论 教学与实验教学严重脱节的现象；上实验课时，教辅人员需要把实验仪器从实 验室搬到课室或者学生需要过去实验室，给上实验课带来诸多不便，导致上实 验课比较费时、费力；在传统的实验课上课模式中，实验仪器和实验室的使用 受一定的空间限制，基本上本校的实验仪器和实验室只能供本校师生使用，其 他学校的师生无法共享，这在实验教学资源上是一种浪费。伽尔顿板实验在物 理教学中同样存在上述的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种伽尔顿板远程控 制实验系统，具有实验演示方便快捷、可共享实验教学资源、物理教学中理论 课与实验课相结合的特点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本伽尔顿板远程控制实验系统，包 括人机交互接口、上位机、下位机、摄像监控装置和伽尔顿板实验装置，所述 人机交互接口通过网络与上位机相连，所述摄像监控装置与上位机相连，所述 上位机通过下位机与伽尔顿板实验装置相连。

所述上位机包括主控微处理器和网络通信模块，主控微处理器分别与下位 机、摄像监控装置连接，主控微处理器还通过网络通信模块与人机交互接口连 接；主控微处理器通过摄像监控装置内置的图像传感器采集图像数据，并将经 JPEG格式编码的图像帧输出，转交由网络通信模块传送到人机交互接口，供用 户实时查看，同时从网络通信模块接收数据，经过处理后利用RS232串行通信 发送给下位机。

所述伽尔顿板实验装置包括直流电机、槽门、导轨、上限位开关、漏斗、 螺钉、光电门传感器、小槽、挡板、电磁阀、底座、下限位开关、移动拉绳、 显示屏、收球轨道、滑动槽、槽门开关和伽尔顿板，所述伽尔顿板、电磁阀和 显示屏分别安装在底座的上面，所述漏斗设于伽尔顿板上，所述螺钉和小槽分 别设于伽尔顿板内，所述光电门传感器设于小槽上端，所述直流电机安装在底 座内，所述挡板和收球轨道分别安装在伽尔顿板下部，所述导轨安装在底座侧 面，所述滑动槽与导轨通过移动拉绳连接，所述槽门设于滑动槽上，所述上限 位开关设于导轨上部，所述下限位开关设于导轨下部。

所述下位机包括相连接的第一单片机和第二单片机，第一单片机分别与上 位机、伽尔顿板实验装置的光电门传感器连接，第二单片机分别与伽尔顿板实 验装置的显示屏、下限位开关、上限位开关、电磁阀和直流电机连接。

所述第一单片机的外围电路包括若干组光电门信号处理电路和对若干组光 电门信号进行逻辑与运算的与门电路，光电门信号处理电路与光电门传感器一 一对应连接，每一个光电门传感器负责一个槽的球数统计，与门电路对若干组 光电门信号进行逻辑与运算后输入到第一单片机的外部中断。

所述光电门信号处理电路包括对光电门传感器信号进行放大的三极管，三 极管的集电极与第一单片机的IO口连接，三极管的基极与光电门传感器的接收 信号端连接。

所述第二单片机通过模拟IIC通信接口与第一单片机连接。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、理论课与实验课同步，克服了理论课和实验课严重脱节的现象；远程控 制伽尔顿板实验系统，可以让上理论课的教师在教室里通过网络在终端计算机 上直接控制和演示伽尔顿板实验，理论与实验同步，能使学生快速地理解和掌 握理论知识。

2、实现了教学资源共享，充分利用了实验室教学资源；本校的伽尔顿板实 验仪器既可给本校师生演示实验，其它学校的师生如有需要也可通过网络共享 其演示实验，实现了教学资源共享，充分利用了教学资源，给广大师生带来了 很大的方便。

3、使用方便快捷，节约时间；上理论课的教师直接在教室里而不需要过去 实验室就可以通过网络控制和演示伽尔顿板实验，学生如有需要上实验课，也 可以在自己宿舍里通过网络自己完成演示实验，也不必要到实验室去，为广大 师生节省了宝贵的时间。

4、演示仪器不需搬到课室，减轻了教辅人员的工作负担。

5、系统操作简单，可扩展性强，具有很好的应用价值；只需要一台连接互 联网的电脑，通过人机交互接口的显示界面即可操作系统，此外，系统可供连 接互联网的多台电脑不同时间使用，可扩展性强，应用价值高。

附图说明

图1是本发明伽尔顿板远程控制实验系统结构框图。

图2是伽尔顿板实验装置的结构示意图。

图3是伽尔顿板实验装置的整体图。

图4是下位机的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

如图1所示，本发明伽尔顿板远程控制实验系统包括人机交互接口、上位 机、下位机、摄像监控装置和伽尔顿板实验装置，所述人机交互接口通过因特 网与上位机相连，所述摄像监控装置与上位机相连，所述上位机通过下位机与 伽尔顿板实验装置相连。

所述上位机包括主控微处理器和网络通信模块，主控微处理器分别与下位 机、摄像监控装置连接，主控微处理器还通过网络通信模块与人机交互接口连 接。主控微处理器通过摄像监控装置内置的图像传感器采集图像数据，并将经 JPEG格式编码的图像帧输出，转交由网络通信模块进行网络传输；同时可从网 络通信模块接收数据，经过处理利用RS232串行通信发送给下位机。

如图2和图3所示，所述伽尔顿板实验装置包括直流电机1、槽门2、导轨 3、上限位开关4、漏斗5、螺钉6、光电门传感器7、小槽8、挡板9、电磁阀 10、底座11、下限位开关12、移动拉绳13、显示屏14、收球轨道15、滑动槽 16、槽门开关17和伽尔顿板18，所述伽尔顿板18、电磁阀10和显示屏14分 别安装在底座11的上面，所述漏斗5设于伽尔顿板18上，所述螺钉6和小槽8 分别设于伽尔顿板18内，所述光电门传感器7设于小槽8上端，所述直流电机 1分别安装在底座11内，所述挡板9和收球轨道15分别安装在伽尔顿板18下 部，所述导轨3安装在底座11侧面，所述滑动槽16与导轨3通过移动拉绳13 连接，所述槽门2设于滑动槽16上，所述上限位开关4设于导轨3上部，所述 下限位开关12设于导轨3下部。

伽尔顿板实验装置的工作过程如下：开启电源后，使伽尔顿板实验装置进 入系统初始化，驱动电磁阀10关闭档板，通过下限位开关12检测滑动槽16是 否在导轨3的最底端，如果滑动槽16不在最底端，则驱动直流电机1，通过移 动拉绳13带动滑动槽16到导轨3的最底端，系统接收到远程发起的开始请求 后，再确认一次以上的初始条件是否满足，确保所有初始化工作准备完后，驱 动直流电机1带动滑动槽16沿着导轨3向上升，当上限位开关4检测到滑动槽 16到达最顶端时，则停止直流电机1工作，同时滑动槽16上的槽门2自动开启， 放出滑动槽16里的小球通过漏斗5进入伽尔顿板18内，当滑动槽16里的小球 进入伽尔顿板18时，会随机掉进下面的某个小槽8，由于每个小槽8上都有一 对光电门传感器7，光电门传感器会对掉入小槽8内的小球数进行计数，系统向 远程人机交互接口传输最新的小槽8内的球数分布，直至所有小球都进入了小 槽8后，系统会驱动直流电机1带动滑动槽16归位到最底端，当滑动槽16归 位到最底端时，驱动电磁阀10打开档板9，小球会沿着收球轨道15掉进滑动槽 16内，至此，一轮实验完毕，如果要重复进行多次实验，重复以上过程即可。

如图4所示，下位机包括相连接的第一单片机和第二单片机，第一单片机 分别与上位机、伽尔顿板实验装置的光电门传感器连接，第二单片机分别与伽 尔顿板实验装置的显示屏、下限位开关、上限位开关、电磁阀和直流电机连接。

第一单片机负责光电门传感器信号的采集与处理，第一单片机的外围电路 包括13组光电门信号处理电路和对13组光电门信号进行逻辑与运算的与门电 路，光电门信号处理电路与光电门传感器一一对应连接，每一个光电门传感器 负责一个槽的球数统计，与门电路对13组光电门信号进行逻辑与运算后输入到 第一单片机的外部中断；每组光电门信号处理电路包括对微弱的光电门传感器 信号进行放大的三极管，三极管的集电极与第一单片机的IO口连接，三极管的 基极与光电门传感器的接收信号端连接。

第二单片机通过模拟IIC通信接口接收第一单片机的控制信号，来控制电磁 阀、直流电机和显示屏，所述显示屏可为液晶显示屏。电磁阀采用继电器进行 控制，同时考虑到单片机IO口的电流驱动能力不足，做用ULN2003对IO的电 流进行放大。另外，直流电机的驱动采用LM298，同时考虑到电机使用的电源 对单片机工作的影响，使用光耦进行隔离控制。

所述第一单片机和第二单片机均采用AMTEL公司的AT89S52单片机，两 个单片机之间通过模拟IIC通信接口连接。由于IIC总线接口直接在组件之上， 因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低 了互联成本，IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和 接收数据可以在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高的传送 速率可达100kbps。

在实验过程中，第一单片机对上位机发送过来的指令进行判断，并且对各 个槽的小球数进行统计，其工作流程如下：第一单片机开始运行后先初始化， 然后等待上位机(ARM板)的启动指令，当接收到上位机的启动指令后，第一 单片机通过模拟IIC接口将启动指令转发给第二单片机(即从机)；当第二单片 机做好相应的实验准备后，第一单片机开始监测各个槽的小球数的变化，随时 记录、更新小球数，并将小球数通过RS232串口上传至上位机；直至一轮实验 结束，第一单片机才又处于等待上位机命令的状态。

在实验过程中，第二单片机的主要负责和第一单片机进行通信，驱动直流 电机、电磁阀、上限位开关、下限位开关及显示屏，其工作流程如下：首先系 统启动后进行初始化，初始化的过程包括检测下限位开关是否闭合，如果没有 则启动直流电机进行复位；接着等待第一单片机的启动信号，如果没有接收到 启动信号则一直处于循环等待状态，直到接收到启动信号为止；接收到启动信 号后，则进行以下5个步骤：1)电磁阀断电，打开槽门，使槽内的小球收集到 漏斗A中；2)给电磁阀通电，关闭槽门；3)主电机通电，将漏斗A传送到装 置的顶部；4)上限位开关检测到漏斗到达顶部后，停止电机，同时通过机关使 漏斗A中的小球尽数落到漏斗B中；5)伽尔顿板落球实验开始。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。