基于NIELVIS系统的光照度测量实验教学装置的制作方法

本发明为虚拟仪器与照度测量领域，尤其涉及一种通过虚拟仪器实验教学平台nielvis进行光照度测量的实验教学装置。

背景技术：

虚拟仪器是以计算机为硬件平台，由用户设计定义虚拟面板，而其测试功能则由测试软件实现的一种计算机仪器系统，是仪器发展的重要方向之一。nielvis虚拟仪器教学实验套件(educationallaboratoryvirtualinstrumentationsuite，elvis)是美国国家仪器公司(ni公司)于2008年推出的一套基于labview软件设计和原型开发的实验教学平台，它集成了最常用的12个仪器——包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特图分析仪等等，具有集成度高、扩展性强、性能优越、体积小等优点，可实现教学仪器、数据采集和实验设计一体化，为提高学生实践动手能力、培养学生创新性思维提供了有效手段。目前清华等很多高校都已设立了基于nielvis的虚拟实验室，应用日益广泛。

与该平台配套的辅助教学装置的设计与研究，主要有ni公司的教学套件mydaq——包括myvtol(垂直起降)，myquake(震动)，mytemp(温度测量)，mygrid(能源发电)等，此外还有串联谐振电路、光纤位移传感、直流电机转速测控、电路参数测试系统等多种实验装置与方法的研究和设计。但在研究内容上，没有进行光照度测量的实验教学配套装置，另外，实验内容都是利用nielvis平台与模拟电路结合直接构建虚拟仪器，无法实现基于nielvis构建的虚拟仪器与基于单片机构建的现实智能测试系统之间进行直观比较的教学功能，难以满足教学要求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种能与nielvis平台配套使用，构建虚拟照度计，并能通过电路接线组合构建单片机控制的智能照度计，同时实现虚拟照度测量与单片机照度测量比较的实验教学装置。

针对上述问题，本发明采取的技术方案为：基于nielvis系统的光照度测量实验教学装置，包括智能照度计实验装置及虚拟照度计实验装置；其中智能照度计实验装置包括电源模块及依次连接的光照度变送器、a/d转换模块、单片机、显示器；虚拟照度计实验装置包括依次连接的光照度变送器、nielvis系统及虚拟照度计面板。

所述的智能照度计实验装置还包括与单片机连接的时钟模块、非门电路。

所述的单片机采用at89s52，光照度变送器采用dzd-t4-v1，a/d转换模块采用tlv2543，显示器采用模块cxled、非门电路采用74hc04。所述的光照度变送器的输出接至nielvis系统的数字万用表的电压测量接口。本实验用到的是nielvis系统的数字万用表dmm的电压测量接口及应用接口程序。其作用是测量由光照度变送器送出的与光照度成正比例的电压值，并送入虚拟照度面板，进行数据处理。

所述光照度变送器测量范围为1——2000lux，光照度信息输出为0-5v模拟量，其中一路输入到a/d转换模块转换成数字信号送到单片机，另一路送到nielvis系统的数字万用表dmm模块。所述单片机通过a/d转换模块读取光照度变送器的数据，并由显示器显示。nielvis系统读取同样的照度信息，并在虚拟照度计面板上显示。光照度变送器的v+引脚接12v电源，其v-引脚、a-引脚以及nielvis系统的v-引脚接地，其a+引脚接a/d转换模块的a0引脚同时接nielvis系统v+引脚；a/d转换模块的a0引脚、vcc引脚、ref+引脚接5v电源，其gnd引脚、ref-引脚接地，其do引脚、di引脚、l/oclk引脚、引脚分别接单片机的pb0引脚、pb1引脚、pb2引脚、pb3引脚；其eoc引脚接非门电路的6a引脚；非门电路的6y引脚接单片机的pd2引脚，其vcc引脚接5v电源；单片机的xtal1引脚及xtal2引脚间接时钟模块，其pc0引脚、pc1引脚、pc2引脚、pc3引脚分别接显示器的oe引脚、clk引脚、rcl引脚、ser引脚，同时经上拉电阻接5v电源，单片机的icp引脚经电阻接5v电源，单片机的vcc引脚经按键接5v电源。

低成本的8位单片机at89s52是一款高性能、低功耗的cmos8位微处理器，系统内集成8k字节的flash，256字节的ram，32位i/o口线，三个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构等。在本系统中的主要功能为：程序存储，光照度读取，数据处理及显示控制等功能。程序存储在片内flash中，光照度读取功能由pb0-pb3口及外部中断0完成，显示控制功能由pc0-pc3口控制。光照度的测量包括光照度变送器、a/d转换模块和非门电路等部分。光照度变送器采用dzd-t4-v1型，将0-2000lux的光照度转换成为0-5v的电压信号。a/d转换模块采用tlv2543，它是串行通信12位模数转换芯片，内部采用开关电容逐次逼近，将光照度变送器送出的0-5v的模拟信号转换成12位的数字信号送入单片机进行数据处理。光照度的显示功能由器完成，采用模块cxled，它是串行方式通信的8位集成显示led模块，用于显示光照度数值。

所述的电源模块为：220v市电经变压器、整流桥后接第一稳压器件输出12v电源，然后经第二稳压器件输出5v电源。

市电经过变压和整流，通过稳压器件输出dc12v电压给光照度变送器供电，然后再通过器件稳压到dc5v给单片机、a/d转换模块、显示器和非门供电。

虚拟照度计面板是基于labview程序设计的。

测量光照度变送器送出的电压值，进行数据处理，并在虚拟照度计面板上显示该电压值及相应的照度值，完成照度测量。

本发明的有益效果：

1、拓展nielvis系统应用宽度，对光照度进行测量，可广泛应用于光学，物理学等实验教学。

2、本实验装置具有多功能性，可独立完成以单片机为中心的智能照度计设计实验，也可独立完成以nielvis系统为中心的虚拟照度计设计实验。

3、本实验装置由2个独立的光照度测试系统构成，一个是以单片机为中心的智能照度计，一个是以nielvis系统为中心的虚拟照度计，两者共用照度传感器，通过对照可使学生深刻了解两种不同方法的智能测控的原理，从而理解虚拟测量的精髓。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明的电源原理图；

图4是本发明的虚拟照度计构成图；

图5是本发明的虚拟照度计面板图。

附图中的标号分别为：

1、单片机，2、电源模块，3、nielvis系统，4、虚拟照度计面板，

1.1、光照度变送器，1.2、a/d转换模块，1.3显示器，1.4非门电路，1.5时钟模块，

4.1标题，4.2采样间隔，4.3电压显示，4.4照度数字显示，4.5虚拟照度表，4.6起停控制。

具体实施方式

基于nielvis系统的光照度测量实验教学装置，如图1所示，包括智能照度计实验装置及虚拟照度计实验装置；其中智能照度计实验装置包括电源模块2及依次连接的光照度变送器1.1、a/d转换模块1.2、单片机1、显示器1.3，还包括与单片机1连接的时钟模块1.5、非门电路1.4。虚拟照度计实验装置包括依次连接的光照度变送器1.1、nielvis系统3及基于labview程序设计的虚拟照度计面板4。

如图4所示，所述的光照度变送器1.1的输出接至nielvis系统3的数字万用表的电压测量接口。

如图3所示，所述的电源模块2为：220v市电经变压器t1、整流桥后接第一稳压器件vr1输出12v电源vcc2，然后经第二稳压器件vr2输出5v电源vcc1。

如图2所示，所述的单片机1采用at89s52，光照度变送器1.1采用dzd-t4-v1，a/d转换模块1.2采用tlv2543，显示器1.3采用模块cxled、非门电路1.4采用74hc04。光照度变送器1.1的v+引脚接12v电源vcc2，其v-引脚、a-引脚以及nielvis系统3的v-引脚接地，其a+引脚接a/d转换模块1.2的a0引脚同时接nielvis系统3v+引脚；a/d转换模块1.2的a0引脚、vcc引脚、ref+引脚接5v电源vcc1，其gnd引脚、ref-引脚接地，其do引脚、di引脚、l/oclk引脚、引脚分别接单片机1的pb0引脚、pb1引脚、pb2引脚、pb3引脚；其eoc引脚接非门电路1.4的6a引脚；非门电路1.4的6y引脚接单片机1的pd2引脚，其vcc引脚接5v电源vcc1；单片机1的xtal1引脚及xtal2引脚间接时钟模块1.5，其pc0引脚、pc1引脚、pc2引脚、pc3引脚分别接显示器1.3的oe引脚、clk引脚、rcl引脚、ser引脚，同时经上拉电阻r2、r3、r4、r5接5v电源vcc1，单片机1的icp引脚经第一电阻r1接5v电源vcc1，单片机1的vcc引脚经按键s1接5v电源vcc1。

如图5所示，虚拟照度计面板4上可以设置有4.1标题，4.2采样间隔，4.3电压显示，4.4照度数字显示，4.5虚拟照度表，4.6起停控制。

智能照度计实验装置工作过程：系统上电后，光照度变送器1.1开始工作，将光照度转换成0-5v的模拟信号，由其a+端口输出到a/d转换模块1.2的a0口，同时单片机1对各端口进行配置，初始化a/d转换模块1.2与显示器1.3。然后单片机1的pb3引脚为低电平，选通a/d转换模块1.2，单片机1的pb2引脚发送时钟信号，单片机1的pb1引脚发送转换位数选择及通道选择参数等控制字，本设计的转换位数选择12位，模拟量输入通道选择“0”，芯片开始模/数转换。当转换结束后eoc引脚变为高电平表明转换完成，此时非门的6y引脚输出低电平，单片机的pd2引脚出现下降沿，触发外部中断0，在外部中断0子程序模块中完成数据处理，以及照度显示功能，从而实现照度测量。

虚拟照度计实验装置具体工作过程为：系统上电，启动nielvis系统，点开pc机上的虚拟照度计面板4，并点击矩形起停控制按钮，使虚拟照度计面板开始工作。光照度变送器开始工作，将光照度转换成0-5v的模拟信号，使用nielvis系统数字万用表测量输入电压。由应用程序接口接收dmm测量的电压值，并由电压数值显示控件显示电压值，该电压值经过数据处理后求出相应的照度值，并在照度显示控件和虚拟照度表控件中同时显示，时钟控件控制采样的时间间隔。

实验设计及使用效果：该系统支持学生做三方面的实验：

1、基于单片机的照度计设计。学生可自主设计电路图并搭建基于单片机的照度计电路，并使用仿真器及c语言进行程序调试，从而完成基于单片机的智能仪器设计。

2、基于nielvis系统的照度计设计。学生连接光照度变送器与nielvis系统，并使用labview程序自行设计虚拟照度面板，从而完成虚拟仪器方面的设计。

3、两种智能照度计设计方法的比较。系统上电后，按下单片机系统开关，并启动nielvis系统，并启动pc照度测量面板。使用光照度可调光源，做0-2000lux光照度测量，则两个照度计同时工作。从而理解两种不同的智能设计技术的核心意义。

需要指出的是除上述实施例外，本发明还可以有其它的实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的其它技术方案，均在本发明所要求的保护范围之内。