一种可设定加热温度的比热容演示实验器的制作方法

1.本实用新型涉及教学实验器材技术领域，尤其涉及一种可设定加热温度的比热容演示实验器。


背景技术：

2.比热容是反映物质吸热或放热能力大小的物理量，不同的物质，比热容一般不同。在同样受热或冷却的情况下，比热容大的物质温度变化小，比热容小的物质温度变化大。
3.比热容教学实验通常是通过对相同质量的水和食用油同时加热，比较相同时间内的温升来探究比较不同物质的吸热能力。现有实验设备一般较简陋，采用两个加热器分别对水和食用油加热时，很难保证是否是在相同时间内供给水和食用油相同热量。公告号为cn213424345的比热容演示器虽然解决了上述问题，但是没有设置加热温度的功能，实验总是在加热到最高温度时才结束，浪费时间和电能，且无法灵活安排实验时间。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种可设定加热温度的比热容演示实验器，可以通过设定加热温度来控制实验结束时间，可以灵活安排实验时间，节约时间和电能。
5.为了实现本实用新型的上述目的，提供以下技术方案：
6.一种可设定加热温度的比热容演示实验器，包括：机壳；两个容器；分别对两个容器内的液体加热的两个加热元件；分别用于检测两个容器内液体温度的两个温度检测元件；分别实时显示两个容器内液体温度的两个数显温度计；数显计时器；位于所述机壳内部的控制器，所述控制器的输入端连接所述温度检测元件，所述控制器的输出端连接所述加热元件、数显温度计和数显计时器；位于所述机壳的前面板上的两对温度调节按键，两个所述温度调节按键连接所述控制器的输入端，用于分别设定两个容器内液体的加热温度；位于所述机壳前面板上的执行按键，所述执行按键连接所述控制器的输入端，用于向控制器发送执行指令；其中，所述数显温度计和数显计时器位于所述机壳的前面板上，并且所述温度调节按键位于所述数显温度计的正下方。
7.优选的，所述机壳具有从所述前面板的下方向前突出的用于放置所述容器的固定座，所述固定座设有用于承托所述容器的容器盖的承托台。
8.优选的，还包括：位于所述机壳前面板上的模式按键、模式指示灯、功率按键和功率指示灯；所述模式指示灯位于所述模式按键的正上方，所述功率指示灯位于所述功率按键的正上方；所述模式按键和功率按键连接所述控制器的输入端；所述模式指示灯和功率指示灯连接所述控制器的输出端。
9.优选的，还包括供电模块，所述供电模块包括：开关电源，其连接所述加热元件，用于将ac220v转换成第一直流电压为所述加热元件供电；直流电压转换电路，其连接所述开关电源，用于将所述开关电源输出的第一直流电压转换成第二直流电压。
10.优选的，还包括：温度信号采集电路，所述温度信号采集电路包括：所述温度检测元件；温度信号转换芯片，所述温度信号转换芯片连接所述温度检测元件的输出端，并通过串行接口与所述控制器连接。
11.优选的，还包括：加热控制电路；所述加热控制电路包括：光电耦合器和mos管；所述mos管的栅极通过分压电阻和光电耦合器连接所述第一直流电压，所述mos管的漏极连接所述加热元件，所述mos管的源极接地；所述光电耦合器连接所述控制器。
12.优选的，还包括：与所述机壳转动连接的支脚，并且所述支脚可嵌装在所述机壳后部下方；设置在所述机壳后部上方的抓卧槽。
13.优选的，所述温度检测元件为温度传感器，所述加热元件为加热棒，所述数显温度计和数显计时器为数码管。
14.优选的，所述容器采用双层高硼硅玻璃结构。
15.优选的，还包括：位于所述机壳侧壁的电源按钮和usb接口。
16.本实用新型的有益效果体现在以下方面：
17.本实用新型可以设定液体的加热温度，具有以下好处：1、可以根据教学时间灵活安排实验时间，设定较高的加热温度实验时间长，设定较低的加热温度实验时间短；2、由于到达设定的加热温度后加热元件会自动停止加热，因此从实验开始到结束，老师无需再对实验器进行任何操作，可以充分利用实验过程中的时间；3、由于不用加热到液体沸点就可结束实验，节省时间和电能。
18.本实用新型采用低压24v供电更安全。
19.本实用新型的容器盖与容器可拆卸紧固连接，通过紧固连接可以增强密封效果，减少散热，使实验结果精度高；并且高温液体不会流出，更安全。
20.本实用新型的容器采用双层高硼硅玻璃结构，有效减少实验过程中的散热，使实验精度更高；且容器外壁温度更低，也更安全。
附图说明
21.图1是本实用新型可设定加热温度的比热容演示实验器前部和侧部的结构示意图；
22.图2是本实用新型可设定加热温度的比热容演示实验器后部和侧部的结构示意图；
23.图3是本实用新型的控制框图；
24.图4是本实用新型控制器的引脚布置图；
25.图5是本实用新型的按键连接示意图；
26.图6是本实用新型温度信号采集电路的电路图；
27.图7是本实用新型加热控制电路的电路图；
28.图8是本实用新型的数码管及驱动芯片的示意图；
29.图9是本实用新型的直流电压转换电路的电路图。
30.附图标记说明：1
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机壳；10
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前面板；11、12
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固定座；11a、12a
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承托台；21、22
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容器；21a、22a
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容器盖；31、32
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加热元件；41、42
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温度检测元件；51、52
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数显温度计；6
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数显计时器；71、72
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温度调节按键；73
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执行按键；74
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模式按键；75
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功率按键；80
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电源指示灯；84
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模
式指示灯；85
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功率指示灯；91
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支脚；92
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抓卧槽。
具体实施方式
31.在本实用新型的描述中，需要理解的是，文中“前”、“后”等指示方位或位置关系的术语是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置、元件等必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限定。
32.如图1所示，本实用新型提供一种可设定加热温度的比热容演示实验器，包括：机壳1；两个容器21、22；分别对容器21、22内的液体加热的两个加热元件31、32；分别用于检测容器21、22内液体温度的两个温度检测元件41、42(图中仅示出温度检测元件41)；分别实时显示容器21、22内液体温度的两个数显温度计51、52；数显计时器6；两对温度调节按键71、72和控制器。控制器位于机壳1内部(图中未示出)。
33.如图3所示，温度调节按键71、72、温度检测元件41、42连接控制器的输入端；加热元件31、32、数显温度计51、52和数显计时器6连接控制器的输出端。按压温度调节按键71、72可以分别设定两个容器21、22内液体的加热温度，设定好的加热温度参数传送至控制器；控制器按照设定好的加热温度参数控制加热元件31、32分别对两个容器21、22内的液体加热，并将温度检测元件41、42检测到的温度数据发送到数显温度计51、52进行实时显示，任一容器内的液体达到设定好的加热温度后，加热元件31、32均自动停止加热。
34.下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
35.如图1所示，在本实施例的一个实施方式中，温度调节按键71、72设置在机壳1的前面板上，并且温度调节按键71、72均使用两个三角形按键来分别调高和调低温度。
36.在机壳1的前面板上还设有数显温度计51、52和数显计时器6，温度调节按键71、72分别位于数显温度计51、52的正下方，数显计时器6位于数显温度计51和数显温度计52之间。
37.此外，在本实施例的一个实施方式中，在机壳1的前面板上还设有执行按键73，执行按键73连接控制器的输入端(图3所示)，用于向控制器发送执行指令，执行指令可以包括开始加热或暂停加热指令以及停止加热指令。其中，温度调节按键71和温度调节按键72分别位于执行按键73的两侧。当温度调节按键71、72设定好两个容器21、22内液体的加热温度参数后，点按执行按键73，控制器控制加热元件31、32开始加热。加热过程中，点按执行按键73，控制器控制加热元件31、32暂停加热(暂停超过一分钟，系统默认实验完成，停止加热)；长按执行按键73，控制器控制加热元件31、32停止加热。
38.此外，在本实施例的一个实施方式中，在机壳1的前面板上还设有模式按键74、三个模式指示灯84、功率按键75和三个功率指示灯85；三个模式指示灯84位于模式按键74的正上方，三个功率指示灯85位于功率按键75的正上方。如图3所示，模式按键74和功率按键75连接控制器的输入端；模式指示灯84和功率指示灯85连接控制器的输出端。
39.本实施例具有三种加热模式，点按模式按键74在三种模式之间切换，三个模式指示灯84分别对应显示三种模式。模式一：设备默认按照最高温度(安全温度)对两边液体同时加热并开始计时，任一液体达到最高温度后，两边液体同时停止加热并停止计时。模式二：该模式可以通过温度调节按键71、72设定加热温度(设定温度小于等于最高温度)，设备
按照设定温度对两边液体同时加热并开始计时，任一液体达到设定温度后，两边液体同时停止加热并停止计时。模式三：该模式下只允许一个容器内的液体加热，可以通过对应的温度调节按键设定加热温度，设备按照设定温度对容器21或容器22内液体加热并开始计时，该容器内液体达到设定温度后，停止加热并停止计时。
40.本实施例通过限定最高加热温度，使设备运行更安全。通过设定加热温度可以具有以下好处：1、可以根据教学时间灵活安排实验时间，设定较高的加热温度实验时间长，设定较低的加热温度实验时间短；2、由于到达设定的加热温度后加热元件会自动停止加热，因此从实验开始到结束，老师无需再对实验器进行任何操作，可以充分利用实验过程中的时间；3、由于不用加热到液体沸点就可结束实验，节省时间和电能。
41.此外，本实施例具有三档加热功率，点按功率按键75在三档功率之间切换，三个功率指示灯85分别对应显示三档功率。
42.如图4和5所示，在本实施例的一个实施方式中，温度调节按键71的调高、调低温度分别通过按键sw1和sw2实现，温度调节按键72的调高、调低温度分别通过按键sw4和sw5实现，执行按键73通过sw7实现，模式按键74通过sw3实现，功率按键75通过sw6实现，而sw1、sw2、sw4、sw5、sw7、sw3和sw6均与控制器直接连接，可以最大限度防止干扰。
43.本实施例还包括供电模块。在本实施例的一个实施方式中，如图3所示，供电模块包括：开关电源和直流电压转换电路。其中，开关电源的输出端连接加热元件31、32，用于将ac220v转换成第一直流电压(本实施例为24v)输出为加热元件3供电。本实施例采用低压供电更安全，当然第一直流电压也可以为其他低压参数。
44.如图9所示，直流电压转换电路通过端子连接器j2连接开关电源的输出端，用于将开关电源输出的第一直流电压(本实施例为24v)转换成第二直流电压(本实施例为5v)输出为控制器及控制器所在电路板上的其他元器件供电。
45.在本实施例的一个实施方式中，还包括：温度信号采集电路。如图3所示，温度信号采集电路包括：用于检测容器21内液体温度的温度检测元件41；用于检测容器22内液体温度的温度检测元件42；温度信号转换芯片。其中，本实施例的温度检测元件采用温度传感器，例如ntc温度传感器。本实施例的温度信号转换芯片采用tm7705。如图4和6所示，tm7705连接温度传感器的输出端，用于接收来自温度传感器的温度信号，并通过串行接口与控制器连接。本实施例串行接口配置为三线spi总线接口，也可以采用其他串行接口。
46.温度信号采集电路实现温度的采集。如图4和6所示，两个温度传感器分别通过adc_rt2/adc_rt1连接到tm7705，tm7705接收到来自温度传感器的信号后做信号调理和转换，并通过三线spi总线和控制器通讯。控制器通过三线spi总线控制tm7705是否开始采集数据以及设置tm7705的运行参数，以及通过三线spi总线来获取tm7705采集到的温度数据。mcu得到温度数据后，将温度数据发送到数显温度计51、52上显示。
47.如图4和8所示，在本实施例的一个实施方式中，数显温度计51、52采用数码管，通过芯片tm1650驱动。mcu得到温度数据后，在满足显示情况下，将温度数据发送给tm1650，tm1650再将温度数据发送到数码管上显示。
48.此外，本实施例数显计时器6采用数码管，通过芯片tm1650驱动。
49.如图4和7所示，在本实施例的一个实施方式中，还包括：加热控制电路。加热控制电路包括：光电耦合器和mos管。本实施例的加热控制电路为两个，结构相同，分别用于实现
对加热元件31、32的加热控制，下面以控制加热元件31加热为例详细说明加热控制电路。其中，通过mos管q1的开和关来控制加热元件31加热与否，24v电压经过电阻r12、光电耦合器el357，再经过r13分压后连接至q1的栅极，q1的漏极连接加热元件31，q1的源极接地；光电耦合器el357通过电阻r11连接控制器。
50.加热通过pwm0控制mos管q1的通断，el357做控制器的保护隔离，防止加热控制电路出现故障时损坏控制器；稳压二极管d10做mos管栅极的保护二极管；r25做mos管防静电击穿保护，用于泄掉多余电荷，防止mos管漏极未接加热元件31悬空时被击穿。
51.pwm0高电平时光电耦合器导通，mos管q1导通，加热元件31工作，pwm0低电平时光电耦合器截止，mos管关闭，加热元件31停止工作，mcu通过pwm0高低电平的不断变化控制加热元件31加热，通过调整pwm0的占空比来控制加热元件31按照不同的加热功率加热。
52.本实施例加热元件31、32为加热棒。控制器为apt32f172。
53.在本实施例的一个实施方式中，如图1所示，还包括：位于机壳1侧壁的电源按钮和usb接口。usb接口用于实现控制器和上位机通讯，通过usb将数据(温度和时间)传到上位机软件实时显示数码管状态以及生成数据表(比如以时间为横坐标，温度为纵坐标的比热容曲线)。
54.此外，在本实施例的一个实施方式中，如图1所示，机壳1具有从前面板10的下方向前突出的用于放置容器21、22的固定座11、12，固定座11、12均设有承托台11a、12a。当容器盖21a、22a和容器21、22分离的时候，承托台11a、12a用于承托容器盖21a、22a，避免随处乱放而损坏与其一体连接的电线、温度传感器和加热棒。
55.本实施例的容器盖21a、22a与容器21、22可拆卸紧固连接。通过紧固连接可以增强密封效果，减少散热，使实验结果精度高；并且高温液体不会流出，更安全。可拆卸紧固连接可采用螺纹紧固连接，卡扣连接等。
56.进一步的，本实施例的容器21、22采用双层高硼硅玻璃结构，有效减少实验过程中的散热，使实验精度更高；且容器外壁温度更低，也更安全。
57.此外，在本实施例的一个实施方式中，如图1所示，还包括：与机壳1转动连接的支脚91，并且支脚91可嵌装在机壳1后部下方；设置在机壳1后部上方的抓卧槽92。实验时，转出支脚91可以稳固支撑设备。抓卧槽92可方便携带设备。
58.本实施例可设定加热温度的比热容演示实验器的演示情形列举：
59.情形一：植物油和水的对比试验(c
植物油
＝1.97*103，沸点236℃，c
水
＝4.2*103，沸点100℃)
60.实验步骤：
61.1、容器21、22中分别加入同等质量的油和水，旋紧容器盖后分别放在对应的固定座11、12上；
62.2、连接电源插座，设备电源指示灯80亮起；
63.3、点按机壳1侧壁的电源按钮，显示温度和时间的数码管全部亮起，此时两个温度检测元件自动检测容器21、22内油和水的温度，并在数码管显示；
64.4、开机为系统默认加热模式和加热功率，可以通过模式按键74切换加热模式，通过功率按键75切换加热功率；
65.5、如选择模式二，通过温度调节按键71、72设定容器21、22中油和水的加热温度；
66.6、待水和油稳定到环境温度(数码管显示温度相同)后，点按执行按键73，开始加热，同时位于中间的数码管开始计时，两边的数码管实时显示温度；
67.7、实验过程中可以点按执行按键73暂停，记录实验数据，再次点按执行按键73继续加热；
68.8、当任一容器内的液体到达设定或默认的加热温度后，两边容器均自动停止加热，数码管保留最终温度和时间不变。
69.尽管上述对本实用新型做了详细说明，但本实用新型不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本实用新型的原理进行修改，因此，凡按照本实用新型的原理进行的各种修改都应当理解为落入本实用新型的保护范围。