牛顿环干涉实验远程智能教学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块、主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，摄像模块用于采集实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至主控单元模块，电平转换模块连接在主控单元模块的GPIO接口，用于将电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；动力模块在主控单元模块的控制下控制实验仪器模块进行相应的实验操作，开关模块用于控制动力模块的启动以及实验仪器模块的能源供应；上位机用于输入操作命令，主控单元模块响应于操作命令控制实验仪器模块工作；本发明专利技术提供的教学系统实现了牛顿环实验的智能化操作和资源共享。

【技术实现步骤摘要】
牛顿环干涉实验远程智能教学系统
本专利技术涉及智能教学设备领域，尤其涉及一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统。
技术介绍
牛顿环实验仪是由一块曲率半径较大的平凸透镜，和一块光学平面玻璃片所组成的器件，在平凸透镜的凸面与玻璃片之间，有一空气薄层其厚度由中心接触点到边缘逐渐增大；若以平行单色光垂直照射，则经空气层上下表面反射的两束光线有一光程差，在平凸透镜凸面相遇后，将发生干涉；实验仪器主要包括用于产生牛顿环的、用于产生黄色单色光的钠光灯以及用于测量牛顿环大小的读数显微镜；传统实验中，由于实验仪器庞大沉重不变移动，实验都在固定的实验室中进行。且传统的实验教学中还面临着设备资源不足，试验场地有限等环境因素，导致学生能够实际进行实验操作的次数与时间并不多，使学生实践操作能力、研究能力、创新能力得不到良好的培养。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供牛顿环干涉实验远程智能教学系统，具体技术方案如下：一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块，还包括主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，所述摄像模块用于采集所述实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至所述主控单元模块，所述电平转换模块连接在所述主控单元模块的GPIO接口，用于将所述电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；所述动力模块在所述主控单元模块的控制下控制所述实验仪器模块进行相应的实验操作，所述开关模块用于控制所述动力模块的启动以及所述实验仪器模块的能源供应；所述上位机用于输入操作命令，所述主控单元模块响应于所述操作命令控制所述实验仪器模块工作；其中：所述实验仪器模块包括牛顿环仪、钠光灯、读数盘、测微鼓轮、焦距调节旋钮、半反镜调节旋钮和读数显微镜，所述牛顿环仪器用于产生实验所需的牛顿环，所述钠光灯用于产生实验所需的黄色单体光，所述读数显微镜用于测量所述牛顿环大小，且通过所述摄像模块可将所述读数显微镜读取的牛顿环大小以及读数盘的数值通过所述主控单元模块传递至所述上位机；所述动力模块与所述测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮相连，用于对所述测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮进行实验要求的调节。进一步的，所述上位机可以是PC机或者移动终端，且所述上位机上还设置有一控制界面，所述控制界面包括登录界面、实验选择界面、实验操作界面，用于所述教学系统的控制参数。进一步的，所述上位机还设置有教师管理端，可对学生的实验操作以及实验记录进行评价打分。进一步的，所述摄像模块通过USB接口连接所述主控单元模块。本专利技术提供的牛顿环干涉实验远程智能教学系统，通过在牛顿环仪器上的测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮上设置步进电机，并且通过主控单元来控制步进电机的实施操作，实现测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮按照实验要求进行精确调节，同时，在读数显微镜的目镜和读数盘上设置摄像模块，摄像模块可将读取到的数值传递到主控单元模块上；此外，还通过网线将主控单元模块与上位机连接，实现了通过上位机来控制实验进程的功能，同时基于步进电机和摄像模块，可实现将实验步骤的具体过程实时传递到网络上，这样就可以实现通过网络来进行远程教学；而且学生可以在相应的软件上进行实验操作，在实验操作完成后，通过设置的教师客户端能够收取每个学生的实验操作数据记录，根据数据记录可对学生进行评价和打分，简单而方便；与现有技术相比，本专利技术实现了牛顿环干涉实验的智能化以及可通过网络进行远程教学，简化了教学的繁琐和复杂性。附图说明图1为本专利技术所述牛顿环干涉实验远程智能教学系统框图；图2为本专利技术所述牛顿环实验仪器结构组成示意图。标示说明：1‐摄像头、2‐步进电机、3‐目镜与目镜接筒、4‐物镜组、5‐半反镜、6‐牛顿环仪、7‐二维可调节载物台、8‐调焦鼓轮、9‐读数标尺、10‐读数鼓轮、11‐劈尖、12‐固定底板。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本专利技术的较佳实施例。本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参阅图1，在本专利技术实施例中，提供了一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块(图未示)、主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，摄像模块用于采集实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至主控单元模块，主控单元模块与上位机之间通过网线连接；实施例中，主控单元模块会将从摄像模块传递过来的数据通过网线传输到上位机；电平转换模块连接在主控单元模块的GPIO接口，用于将电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；动力模块在主控单元模块的控制下控制实验仪器模块进行相应的实验操作，开关模块用于控制动力模块的启动以及实验仪器模块的能源供应；在上位机上设置有相应的控制软件，通过在控制软件上的控制界面上设置操作参数，可精确的控制实验步骤中的调节操作；具体的，在控制软件上设置有学生登录的界面以及教师登录界面，在学生登录界面上，学生可以根据要求选取实验，并控制实验设备进行实验操作；在本专利技术实施例中，主要控制动力模块进行实验操作以及采取摄像模块的数据；而在教师登录界面中，教师可以得到学生实验操作的实验记录以及实验数据，基于此教师可对学生进行打分评价，实现远程教学的功能。在本专利技术实施例中，主控单元模块包括一用于控制动力模块的RaspberryPi3b开发板和一用于处理摄像模块中视频的Exynos4412芯片(由Samsung公司制造)，其中，RaspberryPi3b开发板控制的动力模块可以使得动力模块更加稳定的运行，使得通过动力模块来控制实验仪器的操作更加精确；通过Exynos4412芯片可以将摄像模块采集到的视频传输到上位机进行视频教学和实验过程的记录。当然，本专利技术对此并不进行限制和固定，可根据实际情况进行选择。优选的，本专利技术采用一与实验操作模块相适配的驱动板来驱动动力模块，实现对实验仪器的自动操作，具体的，在驱动板上装设有若干的DRV8225驱动模块，且最多可装设五个DRV8225驱动模块；驱动板一方面可以用于给RaspberryPi3b开发板和动力模块提供电力供应，另一方面，驱动板配合RaspberryPi3b开发板使用，可以控制动力模块更稳定运行。在本专利技术实施例中，牛顿环干涉实验远程智能教学系统还可以对视频进行自动处理；具体的，以Exynos4412芯片作为主控制芯片，构建了一个自动处理系统，自动处理系统通过动态阈值二值化法和Yatagai极值法的原理对采集到的视频或图片进行细化处理；首先，摄像模块拍摄到视频或者图片，将其传递到自动处理系统，自动处理系统会自动识别视频或者图像的灰度值，并根据灰度值的大小以及分布情况，做出细化处理；然后自动处理系统视频或者图像转换成易于传递的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块，其特征在于，还包括主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，所述摄像模块用于采集所述实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至所述主控单元模块，所述电平转换模块连接在所述主控单元模块的GPIO接口，用于将所述电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；所述动力模块在所述主控单元模块的控制下控制所述实验仪器模块进行相应的实验操作，所述开关模块用于控制所述动力模块的启动以及所述实验仪器模块的能源供应；所述上位机用于输入操作命令，所述主控单元模块响应于所述操作命令控制所述实验仪器模块工作；其中：所述实验仪器模块包括牛顿环仪、钠光灯、读数盘、测微鼓轮、焦距调节旋钮、半反镜调节旋钮和读数显微镜，所述牛顿环仪器用于产生实验所需的牛顿环，所述钠光灯用于产生实验所需的黄色单体光，所述读数显微镜用于测量所述牛顿环大小，且通过所述摄像模块可将所述读数显微镜读取的牛顿环大小以及读数盘的数值通过所述主控单元模块传递至所述上位机；所述动力模块与所述测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮相连，用于对所述测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮进行实验要求的调节。...

【技术特征摘要】
1.牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块，其特征在于，还包括主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，所述摄像模块用于采集所述实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至所述主控单元模块，所述电平转换模块连接在所述主控单元模块的GPIO接口，用于将所述电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；所述动力模块在所述主控单元模块的控制下控制所述实验仪器模块进行相应的实验操作，所述开关模块用于控制所述动力模块的启动以及所述实验仪器模块的能源供应；所述上位机用于输入操作命令，所述主控单元模块响应于所述操作命令控制所述实验仪器模块工作；其中：所述实验仪器模块包括牛顿环仪、钠光灯、读数盘、测微鼓轮、焦距调节旋钮、半反镜调节旋钮和读数显微镜，所述牛顿环仪器用于产生实验所需的牛顿环，所述钠光灯用于产生实...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永涛，徐泽源，吴长亮，张恩鸣，邹辉，王增旭，谭鑫，王明，高亮，宋传承，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32