电气工程学科相关实验室的智能化管控系统的制作方法
【专利摘要】一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，它包括上位机和分别设置在各个实验台上的多个下位机，每个下位机包括处理器、与处理器的输入端口相连的电压信号采集电路、电流信号采集电路和转速信号采集电路以及与处理器的输出端口相连的断路保护电路、报警电路和录波存储器，所述处理器通过二总线串口与上位机进行数据交换。本实用新型功能齐全，能够确保实验设备的正常运行和实验学生的人身安全，保障实验教学顺利、高效实施。本系统可以起到改善实验教学秩序、提高实验安全系数和效率、促进教学考核方式更加公平合理及提升学生学习积极性的作用。
【专利说明】电气工程学科相关实验室的智能化管控系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种能够对高等院校学生完成电气工程学科相关实验的过程进行实时管理的多功能智能化管控系统，属于控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高等院校电气工程学科的相关实验课程是辅助大学生掌握专业知识的必要环节，能够将学生所学的理论知识与实践紧密结合，提高学生的动手操作能力并培养学生的基本工作技能。
[0003]电气工程学科的相关实验课程具有线路复杂、电压较高等特点，是一项危险性高、出错率高的实验项目。实验过程中经常出现学生误接线、不查线上电、不按规定操作等问题。由于教师资源有限，无法及时发现和更正学生错误，容易导致过流、烧实验仪器设备等诸多问题，造成经济损失甚至人身事故。此外，被损毁设备若无法及时更换还会影响后续实验的进行，影响教学进度和学习效果。传统的电气工程相关学科实验的考核方式采取对学生提交的实验报告打分的形式，每一小组的几个学生共用同一组实验数据，分别提交各自的实验报告，容易出现实验报告抄袭问题，教师无法客观地评价一个同学的表现，评分不公平现象普遍存在。此外，这种松散的考核方式导致学生对电气工程学科实验课不够重视，课前不预习课上更容易出现一些接线和操作错误。部分同学对实验积极性不高，完全相信并依靠他人操作，长此以往不利于培养高素质的电气工程领域人才。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种电气工程学科实验室智能化管控系统，保障学生实验能够安全、有序进行，同时通过故障报警、及时断电来保护实验室设备及学生人身安全，在实验过程中根据学生操作情况对其进行打分，保证实验考核的公平性。
[0005]本实用新型所述问题是以下述技术方案实现的:
[0006]一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，构成中包括上位机和分别设置在各个实验台上的多个下位机，每个下位机包括处理器、与处理器的输入端口相连的电压信号采集电路、电流信号采集电路和转速信号采集电路以及与处理器的输出端口相连的断路保护电路、报警电路和录波存储器，所述处理器通过二总线串口与上位机进行数据交换。
[0007]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述上位机外设鼠键、显示器、打印机，每个实验台设置有监控摄像头，各个监控摄像头的输出信号送入上位机的USB通信接口，在上位机与每个实验台之间还设置有双向呼叫语音通信系统。
[0008]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述电压信号采集电路由电压互感器、两个运算放大器和三个电阻组成；所述电压互感器装设在实验台上的电源或其它需过压保护的实验设备上；第一电阻并接在电压互感器的输出端，电压互感器的输出信号依次经由第一运算放大器接成的电压跟随器和由第二运算放大器与第二电阻和第三电阻接成的比例放大器接入下位机处理器有A/D功能的IO端口。
[0009]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述电流信号采集电路由电流互感器、两个运算放大器和三个电阻组成；所述电流互感器装设在实验台上的电源或其它需过流保护的实验设备上，第四电阻并接在电流互感器的输出端，电流互感器的输出信号依次经由第三运算放大器接成的电压跟随器和由第四运算放大器与第五电阻和第六电阻接成的比例放大器接入下位机处理器有A/D功能的IO端口。
[0010]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述转速信号采集电路由霍尔传感器、第五运算放大器、三个电阻和两个电容组成；所述霍尔传感器固定在实验台的同步电机、异步电机或直流电机上并与电机轴上的磁铁相对应，其2号端接地，3号端接电源，I号端接由第五运算放大器构成的比较器的反相输入端并分别经第七电阻和第一电容接电源的正负极，电源电压经第八电阻和第九电阻串接成的分压电路分压后接由第五运算放大器构成的比较器的同相输入端，第五运算放大器的输出端接下位机处理器的IO输入端口 ；第二电容是第五运算放大器输出端的滤波电容。
[0011]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述断路保护电路包括光电隔离器、继电器和第十电阻，所述继电器的常闭触点控制实验台开关柜的电源接触器，下位机的处理器输出的断路控制信号经光电隔离器控制继电器的控制线圈，第十电阻是光电隔离器内发光二极管的限流电阻。
[0012]上述实验室智能管控装置，所述报警电路由蜂鸣器、三极管及两个电阻组成，三极管和第十一电阻、第十二电阻接成基本驱动电路，下位机的处理器输出的报警控制信号经该驱动电路控制蜂鸣器发出警报信号。
[0013]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述录波存储器为一外扩串口型存储器。
[0014]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，各下位机的电压信号采集电路、电流信号采集电路、转速信号采集电路和断路保护电路的数量根据需要进行配置。
[0015]上述电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，所述继电器的控制线圈上并接
有续流二极管。
[0016]本实用新型功能齐全，能够确保实验设备的正常运行和实验学生的人身安全，保障实验教学顺利、闻效实施。本系统可以起到改善实验教学秩序、提闻实验安全系数和效率、促进教学考核方式更加公平合理及提升学生学习积极性的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0018]图1是下位机电原理框图；
[0019]图2是下位机电原理图；
[0020]图3是上位机结构框图；
[0021]图4是语首通彳目框图；
[0022]图5是本实用新型的工作流程图。
[0023]图中各标号为:Q、三极管；R1?R13、第一电阻?第十三电阻；C1?C3、第一电容?第三电容；PT、电压互感器；F1?F5、第一运算放大器?第五运算放大器；CT、电流互感器；ντ、霍尔传感器；D1、续流二极管；D2、二极管；SW、按键开关；FM、蜂鸣器；J、继电器；G、光电隔离器；U、录波存储器；SSP、语音通信信号处理、传输成套设备；V1、V2、……为电压信号采集电路；11、12、……为电流信号采集电路；S1、S2……为转速信号采集电路。
【具体实施方式】
[0024]本实用新型借助于智能化系统的帮助，彻底改变实验室的现有管理模式，在计算机系统的帮助下减小实验报告所占分值比例，通过课堂表现考核体系保障考核的公平性，可以提高电气工程学科实验的工作效率和安全等级，实现电气工程学科实验室的全方位、智能化管控，有利于提高电气工程相关学科实验教学的水平。
[0025]下位机采用16位高性能处理器，负责对实验台各电压、电流、转速监测点的实时监测，故障时及时警报，记录波形，断电保护，并报告上位机；上位机采用台式PC，负责实验前初始化下位机监测报警阈值和跳闸阈值，接受并记录各下位机故障报告信息，自动为各实验台打分，显示并存储视频监控，打印输出实验操作成绩单；视频监控环节在实验开始前由上位机控制开始工作，录像画面在上位机处实时显示的同时，录像视频文件自动存盘，方便后续调取；语音通信设备在实验开始前上电工作，实验中，各实验台的语音话筒可以直接呼叫主控台，主控台话筒也可以选择呼叫任意实验台。
[0026]软件设置方面:下位机工作设为不间断扫描，快速重复扫描IO输入信号，并不断与安全阈值比较判断，一旦输入信号超越其报警阈值，发出警报，若检测信号超越断路保护阈值，报警的同时，下位机控制输出端发出断路保护控制信号，驱动电磁继电器断开电源，在输出端口发出报警信号，并通过驱动电路使蜂鸣器发声，同时将故障信息发送给上位机；任何越限信息，下位机均记录一段波形存储在外扩存储器中，供上位机调取；上位机实时接收串口信息，在显示器 上显示管控界面，记录故障信息，实时显示视频监控画面，监控录像以视频文件存储在硬盘中。
[0027]硬件方面，本装置是在现有实验室设备上，加装一套监测装置，以实现智能管控；具体实施要求实验器材在实验台的安放位置相同，检测点安放位置相同，便于统一化管理；在增加实验台时，方便智能管控系统的扩充。
[0028]本装置上位机与下位机实现双向通信，根据实验内容变更，多次不同实验可以通过上位机调整不同的安全阈值，这样就克服了多个实验安全阈值单一宽泛的缺点，最大限度地对实验室设备起到保护作用。
[0029]视频监控的引入，利于实验指导老师及时、全面地掌握学生实验进度，使得学生实验更加透明；语音通信系统的引入，方便实验指导老师及时指导学生实验操作，大大提高实验的效率；同时，监控录像的实时存储，方便后续调用取证，避免事故纠纷发生。
[0030]参看图5，本装置的工作流程如下:
[0031]I)实验开始前，管控系统所有下位机上电，实验指导老师在上位机录入各实验台学生名单，对下位机发送指令设置本次实验各监测点报警及跳闸阈值，启动下位机对监测信息实时扫描查询；
[0032]2)学生开始实验，当下位机检测到越限信号时，根据故障严重程度选择报警或跳闸，并报告上位机。与此同时下位机记录一段故障波形，供上位机调取、查看；
[0033]3)学生查找并纠正错误，也可以由实验老师通过视频及语音系统予以指导纠正，错误消除后重新进行实验；
[0034]4)实验过程中通过视频监控系统对每个实验台学生的不规范行为进行扣分，同时通过语音系统予以通知和提醒。
[0035]实验结束后，实验老师根据各实验台的故障波形记录情况及视频监控情况对各实验台学生进行打分，最后打印输出实验成绩。
【权利要求】
1.一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，它包括上位机和分别设置在各个实验台上的多个下位机，每个下位机包括处理器(CPU)、与处理器(CPU)的输入端口相连的电压信号采集电路、电流信号采集电路和转速信号采集电路以及与处理器(CPU)的输出端口相连的断路保护电路、报警电路和录波存储器(U)，所述处理器(CPU)通过二总线串口与上位机进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述上位机外设鼠键、显示器、打印机，每个实验台设置有监控摄像头，各个监控摄像头的输出信号送入上位机的USB通信接口，在上位机与每个实验台之间还设置有双向呼叫语音通信系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述电压信号采集电路由电压互感器(PT)、两个运算放大器和三个电阻组成；所述电压互感器(PT)装设在实验台上的电源上；第一电阻(Rl)并接在电压互感器(PT)的输出端，电压互感器(PT)的输出信号依次经由第一运算放大器(Fl)接成的电压跟随器和由第二运算放大器(F2)与第二电阻(R2)和第三电阻(R3)接成的比例放大器接入下位机处理器(CPU)有A/D功能的IO端口。
4.根据权利要求3所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述电流信号采集电路由电流互感器(CT)、两个运算放大器和三个电阻组成；所述电流互感器(CT)装设在实验台的电源上，第四电阻(R4)并接在电流互感器(CT)的输出端，电流互感器(CT)的输出信号依次经由第三运算放大器(F3)接成的电压跟随器和由第四运算放大器(F4)与第五电阻(R5)和第六电阻(R6)接成的比例放大器接入下位机处理器(CPU)有A/D功能的IO端口。
5.根据权利要求4所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述转速信号采集电路由霍尔传感器(VT)、第五运算放大器(F5)、三个电阻和两个电容组成；所述霍尔传感器(VT`)固定在实验台的同步电机、异步电机或直流电机上并与电机轴上的磁铁相对应，其2号端接地，3号端接电源，I号端接由第五运算放大器(F5)构成的比较器的反相输入端并分别经第七电阻(R7)和第一电容(Cl)接电源的正负极，电源电压经第八电阻(R8)和第九电阻(R9)串接成的分压电路分压后接由第五运算放大器(F5)构成的比较器的同相输入端，第五运算放大器(F5)的输出端接下位机处理器(CPU)的IO输入端口 ；第二电容(C2)是第五运算放大器(F5)输出端的滤波电容。
6.根据权利要求5所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统,其特征是，所述断路保护电路包括光电隔离器(G)、继电器(J)和第十电阻(RlO)，所述继电器(J)的常闭触点控制实验台开关柜的电源接触器，下位机的处理器(CPU)输出的断路控制信号经光电隔离器(G)控制继电器(J)的控制线圈，第十电阻(RlO)是光电隔离器(G)内发光二极管的限流电阻。
7.根据权利要求6所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述报警电路由蜂鸣器(FM)、三极管(Q)及两个电阻组成，三极管(Q)和第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)接成基本驱动电路，下位机的处理器(CPU)输出的报警控制信号经该驱动电路控制蜂鸣器(FM)发出警报信号。
8.根据权利要求7所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述录波存储器(U)为一外扩串口型存储器。
9.根据权利要求8所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，各下位机的电压信号采集电路、电流信号采集电路、转速信号采集电路和断路保护电路的数量进行配置。
10.根据权利要求9所述的一种电气工程学科相关实验室的智能化管控系统，其特征是，所述继电器(J)的控制线圈上并接有续流二极管(Dl)。
【文档编号】G06Q50/20GK203616624SQ201320695308
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】武玉才, 冯文宗, 薛伏申, 张朕搏, 杭晗晶 申请人:华北电力大学（保定）