“智能教学实验箱”说明书.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流“智能教学实验箱”说明书.精品文档.智能教学实验箱设计说明书设计者:王浩然,王柳程,陆华成,唐永保,李安宁指导教师:陆正杰、张银君(广西河池学院,宜州 546300)摘要:本产品是一款能给老师教学提供方便的教学实验平台,里面涵盖了课本经典的教学机构模型和多种构件,以及传动装置。特别涉及单片机控制和上位机控制和多功能液晶屏显示的机器。该产品突出解决单调乏味的书本理论和缺乏动手组合的问题,增添形象有趣的单片机图解结构速度、加速度矢量图,通过红外线、上位机切换相关实验,几组机械传动结构,方便学生学习重要的机械原理和机械设计,务实好基础,同时加深对理
2、论与实践的理解。具有一定的可移植性,用以学习拓展,实用性,易用性,实现教学任务的智能化。关键字:教学;机械原理;机械设计;矢量图;上位机;单片机控制1.技术领域本产品是一款能给老师教学提供方便的教学实验平台,里面涵盖了课本经典的教学机构模型和多种构件,以及传动装置。特别涉及单片机控制和上位机控制和多功能液晶屏显示的机器。该产品突出解决单调乏味的书本理论和缺乏动手组合的问题,增添形象有趣的单片机图解结构速度、加速度矢量图,通过红外线、上位机切换相关实验几组机械传动结构,方便学生学习重要的机械原理和机械设计,务实好基础,同时加深对理论与实践的理解。具有一定的可移植性,用以学习拓展,实用性,易用性,
3、实现教学任务的智能化。2.研究背景目前,关于课堂教学用具,发展到现在,各种模型的出现,对于当今学生知识结构的改变,增强其进入社会的工作能力,有着非常重要的作用。中国教学模型的发展和规范,现在应该引起足够地重视。“机械,很重要!创新,很重要!设计,很重要!机械创新设计大赛,很重要!”中科院院士杨叔子如是说。机械创新设计大赛作为教育部重点资助的具有极大影响力的大学生学科竞赛,以“激发大学生的兴趣和潜能,培养大学生的团队协作意识和创新精神”为目的。 2014年第六届全国大学生机械创新设计大赛的主题为“幻梦课堂”;内容为“教室用设备和教具的设计与制作”。学生们可根据对日常课堂教学情况的观察,或根据对未
4、来若干年以后课堂教学环境和状态的设想,设计并制作出能够使课堂教学更加丰富、更具吸引力的装置,改善现有教学环境或条件。3.设计方案图1:产品示意图3.1机械设计部分自锁直流电机与齿条运动方案设计、平面四杆结构与步进机设计、机械传动机构与直流电机设计。3.1.1主要设计思路通过5个动力源(直流电机)实现盖板的往复运动和相关的实验设备展示,两个混合式步进机调速控制基本构件运动,在机构部分实现往复过程中通过限位开关控制电机停止,(上升部分和下降部分)速度可通过上位机调节;两个基本构件运动速度可以通过红外线控制,两个控制模式实现实验切换演示模式。3.1.2设计流程先期通过测量尺寸来确认演示的实验所占的空
5、间大小,确认好电机放置、滑板放置、固定稳定装置、实验演示方向,接着装配好,调试结构运动情况,观察稳定性如何。3.1.3转动方案利用齿轮传动方案,实现盖板运动;齿轮传动和链轮传动方案,实现升降台上升下降左移右移;实验箱壁有凹槽,以便板块运动,加强试验平台的稳定性能;同步带轮传动和步进机传动,实现机械传动过程状态;主要基于以下分析: 电机配合齿轮和齿条,通过上位机和无线模块控制它们正转反转实现升降台运动和板块拖动;步进机控制基本构件,方便精度计算,因为这部分是为了验证构件的运动矢量方程图解法而设计,通过红外线调速,实现矢量图中相关变量的变化,通过几组数据,验证机械原理中的“利用同一构件上两点间的运
6、动矢量方程作机构的速度、加速度的图解分析”。图2:总体传动方案示意3.1.4理论设计计算过程机械传动模型中相关参数:皮带传动:大皮带轮尺寸为6010mm,小皮带轮尺寸为1410mm;螺旋传动:螺杆尺寸为1580mm,螺母尺寸为4212mm;链传动:链轮尺寸为808mm;齿轮传动:大齿轮尺寸为9510mm,30齿,小齿轮尺寸为6510mm,20齿;涡轮蜗杆传动:涡轮尺寸为508mm,齿数为50齿,蜗杆头数为25摩擦轮传动:大摩擦轮尺寸为6410mm,小摩擦轮尺寸为2312mm。验证运动矢量方程作机构的速度、加速度的图解:图3:图解速度、加速度图图4:图解速度、加速度图图5:图解速度、加速度图图6
7、:图解速度、加速度图图7:图解速度、加速度图通过以上分析,把转速代人,用钢尺测量实际尺寸:AB=42MM,BC=122MM,EC=98MM;BE=70MM;通过相关变量的平行和垂直,相似三角形关系来求作图测量:取比例尺:l=0.001m/mm, v=0.01(m/s)/mm, a=0.1(m/)/mm, 杆AB与水平线的角度=60度。测量得:表1 速度矢量图边长边长1 234pc319.35205.88159.49127.51pb337.77217.77168.70134.88pebc337.77122.00217.7781.33168.7061.00134.8848.80表2 加速度矢量图边
8、长边长1 2 34pc319.35205.88159.49127.51pe337.77217.77168.70134.88 pb bn 337.77122.00217.7781.33168.7061.00134.8848.80表3 速度值m/s1 2 34vb1.8461.1910.6100.7383ve3.3782.1781.6871.349vc 31.2200.8130.6100.488表4加速度m/s21 2 3481.1136.1320.28112.98 12.231.948.1320.596.1015.954.8812.75图8:验证图解法的四杆结构 3.1.5驱动方式的选择分析比较
9、:交流电机功率较大但相应体积较大,不适合作为便携式设备的驱动,也不适合我们的上位机操控,而且交流电机漏电,欠缺;小型步进电机在红外线遥控往复控制,位置确定的实现上有较大优势,简便易行,精度足够,经计算达到测速要求;自锁直流电机体积中等,安装便捷,扭矩足够,能很好利用12V直流电瓶供电,也方便控制正转反转,加上自锁功能,从而控制升降台自动下降的情况。综上诉我们选择自锁直流电机和小型步进机作为驱动。图9:直流电机实物3.1.6检测装置设计经广泛查阅相关结构速度、加速度传感检测方面的资料,获得相应信息,角度检测及速度、加速度检测的相关技术。开始想通过加速度传感器ADXL345测量机构节点的加速度和速
10、度,角速度传感器测量角度。但是经分析,作为教具,如果直接采用太多传感器(因为每隔节点都得增加一个),势必造成产品成本大幅增加,也影响学生们的观察和学习,失去原有的便捷实用的定位;在实现基本功能的基础,对精度要求不是很严格的前提下,使用太多传感器,反而影响原先机械原理的解答过程。本部分就采用普通单片机运用编程技术和相关公式结合,通过软件和硬件的应用,比较精确算出需要的精度,并通过7寸液晶屏显示数值,以便学生观察、分析。突出优势: 简洁界面,方便观察;成本低廉,以便推广;教学方便,丰富实验4.控制部分上位机、红外线、单片机控制机构运动、显示屏显示。4.1主要设计思路编写的上位机通过电脑串口发送命令
11、控制无线模块,另一个无线接收模块接受命令控制L298模块,进而控制直流电机正转反转,通过相关结构控制升降台和滑板进行展示实验;传动系统部分,也是利用上位机控制转速状况;而测平面四杆结构的速度、加速度,则是利用红外线遥控,液晶屏显示,进而验证速度、加速度矢量图解法;实现对机构进行定速,定量控制。4.2设计流程该部分拟采用STC公司的C51系列8位单片机和v59单片机、电机驱动电路、液晶显示模块(7寸TFT、19寸液晶裸屏)、红外线收发模块,限位开关,主要通过Altium Designer和Proteus8.0设计电路和实验室制板相结合,进行电路设计和试验验证。最终大部分电路自作完成。4.3控制设
12、计示意控制过程的示意如下图 :人单片机电脑NRF905发射模块串口 步进机驱动电路步进机NRF905接受直流电机驱动电路单片机单片机红外线接受模块红外线发送模块直流电机显示红外线接受模块单片机串口小助手校验代码图10:控制系统方框图本控制部分主要由STC系列单片机、驱动、检测、输入输出等部分组成,通过单片机系统控制。电脑、上位机和红外线电路作为该控制系统的人机对话接口,负责输入时钟参数、串口选择、实验选择,如速度、停止值、波特率、机械传动实验、平面四杆机构实验等等。单片机时刻响应按键的请求或者上位机的请求,并将按键响应的结果以数值的形式存于相应的存储单元,然后红外线数值通过显示电路显示出来,使
13、用者能够直观控制。单片机系统综合各种参数对直流电机驱动电路和步进机电路实施控制,驱动电机和步进机运转。电机和步进机带动机械机构工作,实验装置同时开始工作,把信号及时的传给单片机系统,通过单片机系统及时控制步进机的速度加减、转向和开始停止;以及通过上位机控制自锁直流电机的速度加减、转向和开始停止。4.4显示电路 显示主要采用7寸TFT液晶模块和19寸液晶屏。7寸TFT液晶模块:适用CPU:51,AVR,STM32,PIC,MSP430,DSP,ARM等。MD070SD采用8080时序16bit并行总线接口,分辨率800480,显示面板16M色彩,集成8页显寸(显存用不完可当扩展内存使用)。模块内
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