方千姿 储雨欣 周依婷 陶泽 钟陈昊 叶苏丹 刘传霖
绍兴文理学院 浙江绍兴 312000
摘要：本文简要介绍了一种光机电相结合的实验教改仪器开发方法，旨在将传统实验教学模式与现代科研生产衔接起来，弥补传统实验教学中的空白。该实验教改装置主要由摄像头、电机、电脑三部分组成，它的开发思路是采用摄像头代替人眼捕获画面；采用电机代替人手的操作；采用电脑控制整个系统和操作流程。这不仅能让学生熟练运用自动化设备和装置，锻炼学生的动手能力，同时这种光机电的跨学科实验教改仪器开发思想，能让学生在了解传统实验目的及原理的基础上，学习程控自动化技术在实验测控领域实施的方法，为未来各行各业的科研生产培养新型人才。
关键词：衔接；传统教学实验；现代科研生产；摄像头；电机；电脑
当前大部分实验教学使用的是传统实验仪器，其存在着准确率低、操作耗时长等缺点，与精准高效的科研生产之间产生脱节。这样的实验教学方式导致学生自动化意识薄弱、缺乏相应高效性创新性思维，难以适应现代科研的运作模式[1]。相关资料显示，国内外针对具体教学实验仪器的改装，大多只适用于单种实验教具，缺乏一套系统的、完善的教具改装方案。因此，本项目另辟蹊径，让学生在了解传统实验目的及原理的基础上，熟练运用自动化设备和装置，提升其创新精神及动手能力，使之成为未来社会科研生产的新型人才。
1硬件设计
实验教改装置系统主要由7个部分组成：主MCU模块，蓝牙模块，显微镜摄像头及其适配器，步进电机及其驱动器，12V电源适配器，12V转5V降压模块，上位机软件。摄像头用于模拟人眼进行观测实验现象；电机分为平动电机与旋转电机，能满足不同实验操作过程的需要；电脑实现类似人脑的功能，能够接收摄像机的实验图像，发送信号指令给电机，控制电机的操作，还能控制整个实验操作流程，分析处理数据。
在具体应用时，我们可以按需选择电机和摄像头的类型和数目。例如：当实验观测物质较为精细时，则可以选择使用显微镜摄像头；当实验观测要求较低时，则只需要使用一般摄像头。在电机的选择方面，我们可以根据双手的操作来分析。如果需要双手转动，可以选择一个旋转电机；如果想要实现平移，则可以选择平动电机，它们都通过电脑来控制。具体的应用示意图如图1所示：
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图1装置应用图
1.1 单片机最小系统
该单片机最小系统采用STM8L系列低功耗芯片作为微控制单元。该芯片采用最新STM8 8位内核的架构，以及最新、超低漏电流的工艺，性能/功耗比达到新高[2]。
1.2 蓝牙发射接收器
该蓝牙发射接收器能够与电脑蓝牙配对使用，最远通讯距离高达10m，信号接收、发射能力优良。在这里通过它实现上位机与单片机的实时信息交互。
1.3 显微镜摄像头
该显微镜摄像头成像清晰，可实时传输高帧率视频数据。其配套的显微镜摄像头适配器作为中间结构，能够实现摄像头与显微镜的无缝结合，同时，其能够实现镜头调焦的功能，更利于摄像头对实验现象的捕获。
1.4步进电机及其驱动器
该步进电机具有2.3N·m的大扭矩，通过连接履带，能够实时带动显微镜的测微鼓轮进行旋转动作，对显微镜镜头进行调节。
其配套驱动器具有高达4.0A的电流输出能力，保证了对步进电机的实时供电。同时，其具有高达6400的高细分步数，能够高分辨率地控制镜头移动，提高了系统的精密性。
1.5 12V电源适配器
该12V电源适配器能够直接将220V交流电源转换为12V直流电源输出，且能达到12V3A输出，带负载能力强，能够提供步进电机以及主CPU的电源。
1.6 降压模块
采用自制12V转5V降压模块对12V电源适配器提供的12V直流电源降到5V直流电源，提供主CPU的电源。其性能稳定、电压纹波小，保证了主MCU的稳定运行。
1.7 上位机软件
本软件负责实验全程的统筹管理，包括对数据的分析、处理以及系统的控制。当摄像头图像上传后，软件将对图像进行白平衡的处理，并进行颜色饱和度、明度、锐度的调整，使图像更加清晰地显示在屏幕上。同时，通过蓝牙发送指令给步进电机控制模块，控制步进电机工作。最后，由它来整理所有数据并生成实验数据报表。当检测到打印机，控制打印机打印。
2系统软件设计
本项目中软件开发所用到的是LabVIEW通用编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
3应用实例——对牛顿环曲率半径测量仪的应用改装
牛顿环曲率半径测量实验思路是：通过牛顿环仪测量牛顿环明暗条纹间距，并根据牛顿环明暗条纹间距与透镜曲率半径的参数关系，分析计算得到牛顿环曲率半径。将本项目的光机电相结合的跨学科实验教改装置对传统牛顿环仪进行改装，即可实现：使用步进电机代替双手调节显微镜头。实验图像可由摄像头模拟人眼获取，并上传给计算机，供计算机记录并计算分析实验数据。
牛顿环实验装置在线运行说明：
（1）开始初始化完系统，电脑显示器上显示显微镜镜头所捕获的画面，叉丝中心处于牛顿环暗环中心位置。
（2）电脑实时获取并分析摄像头捕获的图像信息，并控制步进电机按需调整角度。若镜头中央叉丝对准暗环中心，则记录当前距离参数。
（3）当实验数据记录完毕，并分析计算完成，电脑通过语音及文字的形式通知实验操作者，将数据以特定格式存档于Excel报表中，通过WPS或Office将实验数据报表自动打开。
4结论
当前实验教学普遍忽视了学生自动化意识的培养，现代化实验教学仪器的空白造成了学生自动化能力的缺失，这两方面致使学生在现代科研的自动化仪器操作方面较为薄弱[3]。因此就如何科学高效地提升学生自动化技能，我们设计了一种系统的、完善的光机电相结合的实验仪器改装方案。对学生而言，能使他们掌握传统手动模式向现代自动化模式的转变方法，培养了学生自动化改装的意识。对教学而言，弥补了传统手动模式与现代自动化模式间的教学空白。对社会而言，完美衔接传统教学实验与现代科研生产。
参考文献
[1]沈霞.关于教育改革创新系统专利技术综述[J].中国高新区,2018(14):21.
[2]阮舜，杨晨光.STM8系统开发与应用[J].科技市场,2017(03):135-136.
[3]章红,陈立帧.关于中国教育现状的若干思考[J].当代青年研究,2005(11):1-8.