41、远程温度监测系统与科学数学教育中的可视化建模-优快云博客

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远程温度监测系统与科学数学教育中的可视化建模

远程温度监测系统设计与开发

温度测量与控制系统在工业领域应用广泛，而美国国家仪器公司（National Instruments）的LabVIEW已成为学术界和工业界流行的数据采集编程环境。下面将详细介绍基于虚拟仪器的远程温度监测系统的设计与开发。

项目背景与整体架构

系统概述 ：远程温度监测系统有机结合了虚拟仪器（VIs）技术、计算机通信技术和网络技术，实现温度信号的测量、控制、预警和远程传输。本设计采用了NI公司基于图形语言设计的LabVIEW虚拟仪器平台，它为数据采集卡提供了强大支持。
硬件选择 ：考虑到实验室中PCI - 6014是学生可用的唯一数据采集卡，且它是NI公司的DAQ产品，LabVIEW程序对其有很好的支持。同时，由于温度传感器DS18B20运行时间序列严格，直接用PCI - 6014操作较困难，因此采用ATMEL公司的8位单片机处理器AT89C51和DALLAS公司的单总线数字温度传感器DS18B20构建硬件采集电路，LabVIEW VI程序实现系统的监测、控制和远程传输。

系统详细设计

整体设计流程
1. 将DS18B20的数据线连接到单片机的P3.7接口，对AT89C51编程以读写DS18B20，获取温度数据。
2. 将数据设置到4位动态LED显示屏，通过端口1.0 - 1.3输出位选信号，端口0输出段选信号。
3. 处理后的数据从端口2发送到PCI - 6014的数字I/O，实现从硬件采集电路到工业计算机的数据传输。
4. 在LabVIEW编程环境中进行编程，显示信号的波形和数据，进行温度预警并发送反馈控制信号。
5. 系统有两个反馈控制对象：灯泡和风扇，通过LabVIEW编程实现监测状态的远程传输。

graph LR
    A[DS18B20] -->|数据线| B[AT89C51]
    B -->|数据处理| C[4位动态LED显示屏]
    B -->|端口2| D[PCI - 6014]
    D -->|数据传输| E[工业计算机]
    E -->|LabVIEW编程| F[波形显示、预警、反馈控制]
    F -->|反馈控制| G[灯泡]
    F -->|反馈控制| H[风扇]
    F -->|远程传输| I[网络]

数据采集电路设计 ：AT89C51和DS18B20是数据采集硬件电路的重要组成部分，主要功能是收集传感器信号并将数据传输到LabVIEW的VIs。DS18B20有寄生供电模式和外部供电模式，本系统选择外部供电模式，上拉电阻为5.1千欧，电源由VDD直接提供，DS18B20的数据线连接到AT89C51的端口3.7。控制电路设计为独立单元，因为这部分需要高功率电源。

组件	功能	工作模式	连接方式
AT89C51	数据处理与传输	-	与DS18B20数据线连接
DS18B20	温度数据采集	外部供电模式	数据线连P3.7，上拉电阻5.1千欧

软件设计
- C51主程序 ：主要功能是收集传感器数据并将其传输到LabVIEW的VIs。
- DS18B20操作子程序 ：DS18B20运行时间序列严格，通过严格的通信协议保证数据读写的准确性和完整性。协议中定义了初始化序列、读取序列和写入序列。
  - 写入时间槽 ：主机将数据线从高逻辑电平拉到低逻辑电平时启动写入时间槽，有写入1时间槽和写入0时间槽两种类型。所有写入时间槽持续时间至少为60μs，单个写入周期之间至少有1μs的恢复时间。
  - 读取时间槽 ：主机将数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平时启动读取时间槽，数据线必须至少保持1μs的低逻辑电平，DS18B20的输出数据在读取时间槽下降沿后的15μs内有效。
- LabVIEW的VI程序设计
  - 数据采集 ：由于微处理器从DS1820获取温度数据约需1秒，设置200ms的延迟采样间隔，使VI每秒从微处理器采集5次数据，使温度波形显示更连贯。通过内外两个循环实现数据采集和采样次数计数，使用布尔开关控制两个循环。
  - 数据存储 ：是VI程序中的难点部分。
  - 数据处理与反馈控制 ：通过比较和逻辑运算实现，使用DS18B20测量周围环境温度，设置低温警报和3个不同高温警报，风扇由2V、4V、6V三个电平的反馈电压驱动，采用简单模糊控制方法。

科学数学教育中的可视化建模

在科学和数学教育中，信息通信技术（ICT）的应用带来了新的机遇，但也存在一些矛盾。下面将探讨如何利用ICT进行可视化建模，以提高科学和数学教育的质量。

ICT在科学数学教育中的应用现状与问题

应用机遇 ：ICT的应用为提高未来教师在科学和数学培训中的问题解决动机和效率提供了新机会。计算机辅助数学系统（CɆS）如MathCad、Mathematica、Maple、Derive等在学生的科学研究中得到应用，图形计算器在数学教学中也发挥着重要作用，它们能提高学生对数学的兴趣，丰富学生的认知操作，影响教学内容的呈现方式。
存在的矛盾
- 信息技术发展速度与现代师范院校数学教学现状之间的矛盾。
- CɆS在数学教学中的应用机会与科学方法发展不足之间的矛盾。
- 学生在解决数学问题时构建算法模型的技能需求与大量计算干扰模型结构理解之间的矛盾。
- 学生形成计算技能的必要性与学生独立解决问题时实际使用计算机数学系统之间的矛盾。

研究目标与任务

研究目标 ：定义基于学生对对象和过程的可视化建模，将ICT集成到科学和数学教学中解决科学和教学问题的条件，创建一个涉及ICT并利用可视化建模解决数学教育科学和教学问题的综合研究系统。
研究任务
1. 研究基本CɆS的功能可能性，创建信息环境中的工作模式模型。
2. 揭示利用CɆS（图形计算器）进行可视化建模的教学条件，开发相关技术。
3. 开发利用CɆS（图形计算器）解决物理和数学问题的实验室工作坊及其实施方法。
4. 基于创作软件产品和CɆS（图形计算器）研究结果，设计学生小组的交互式信息内容。
5. 基于提高学生的计算和逻辑文化，可视化主体和信息行动的过程。

研究方法

可视化建模方法 ：可视化建模教学的教学技术在数学和信息知识的整合中起着基础性作用。它包括“先验”建模感知对象、形成学习者内部行动最终目的的适当类别以及教师的管理行动，以稳定学习者的直接感知。根据A.N. Leontyev的观点，可视化教学方法有扩展感性经验和发展研究过程或现象本质两个功能，外部教师的行动分为承载行动和结构行动。
知识整合方法 ：培训内容的整合在教学综合层面最为有效，数学（自然科学）和信息知识的整合是知识、活动方式和种类的相互关系、相互作用和综合过程，形成一个综合系统。整合知识需要具备解决问题、数学建模、应用ICT、逻辑思维和沟通等专业技能。

graph LR
    A[可视化建模] --> B[先验建模感知对象]
    A --> C[形成内部行动类别]
    A --> D[教师管理行动]
    E[知识整合] --> F[解决问题技能]
    E --> G[数学建模能力]
    E --> H[ICT应用技能]
    E --> I[逻辑思维技能]
    E --> J[沟通技能]

综上所述，远程温度监测系统的设计与开发为工业领域的温度监测提供了有效的解决方案，而科学数学教育中的可视化建模则为提高科学和数学教育质量提供了新的思路和方法。通过合理应用ICT和可视化建模技术，可以更好地满足不同领域的需求，推动相关领域的发展。

远程温度监测系统与科学数学教育中的可视化建模（续）

远程温度监测系统实验与讨论

实验过程与结果

在实验室环境下对远程温度监测系统进行了模拟实验。实验开始时，加载系统后，LED显示值和VI的温度波形显示为室温值。当手持DS18B20时，温度曲线逐渐上升。
- 当温度超过第一个高温点时，系统通过点亮1号指示灯并驱动硬件卡上的风扇，实现信号的测量和控制。
- 由于设置了三个具有一定梯度的高温点，随着温度的持续上升，2号、3号警告指示灯会依次点亮，同时反馈和控制信号也会发生变化，风扇的转速会加快。
- 考虑到模拟低温环境不太方便，只设置了一个低温警告灯，但其工作原理与高温状态相同。

温度状态	指示灯状态	风扇状态
室温	无指示灯点亮	不运转
超过第一个高温点	1号指示灯点亮	开始运转
超过第二个高温点	1号、2号指示灯点亮	转速加快
超过第三个高温点	1号、2号、3号指示灯点亮	转速进一步加快
低温	低温警告灯点亮	-

graph LR
    A[室温] -->|温度上升| B[超过第一个高温点]
    B -->|温度上升| C[超过第二个高温点]
    C -->|温度上升| D[超过第三个高温点]
    A -->|温度下降| E[低温]
    B -->|点亮1号指示灯| F[风扇开始运转]
    C -->|点亮2号指示灯| G[风扇转速加快]
    D -->|点亮3号指示灯| H[风扇转速进一步加快]
    E -->|点亮低温警告灯| I[无风扇动作]

系统讨论与展望

DS18B20数字温度计可提供9到12位（可配置）的温度读数，测量范围为 - 55°C到 + 125°C，在 - 10°C到 + 85°C之间的精度为 ± 0.5°C。此外，每个DS18B20都包含一个唯一的64位硅序列号，多个DS18B20可以存在于同一单总线上，这使得通过一根电缆将更多传感器连接到一个微处理器成为可能，从而实现真正的分布式温度控制系统。

然而，作为一个远程监控和控制系统，该系统仍有一些改进空间。例如，如果系统位于“防火墙”内，可能无法进行远程访问，需要打开相应的端口才能实现远程访问。但总体而言，该系统为学生和教师提供了一个真实的环境，让他们能够深入研究工程、技术和科学，对本科生的实验训练非常有用。

科学数学教育可视化建模的实践与意义

可视化建模在教学中的实践

在科学和数学教育中，可视化建模的实践可以通过多种方式实现。例如，在教授数学分析的某些部分时，可以通过“先验”建模感知对象，如在证明定理、解决问题或进行单节课、讲座时，呈现视觉模型，让学生在感知过程中理解数学对象的关键品质。
- 在证明定理时，教师可以通过展示图形、公式等视觉元素，帮助学生理解定理的逻辑结构和证明思路。
- 在解决问题时，引导学生形成内部行动的适当类别，让他们明确解决问题的最终目的，从而更有针对性地进行思考和操作。
- 教师的管理行动，如选择合适的教学方法、提供必要的知识片段或知识集合，有助于稳定学生的直接感知，提高教学效果。

可视化建模的意义

可视化建模在科学和数学教育中具有重要意义。它能够在信息量大或包含多种知识混合的情况下，帮助学生更好地感知和理解数学对象。通过可视化方法，学生可以更直观地看到数学结构和逻辑关系，提高学习的效率和质量。
- 对于学生来说，可视化建模可以促进他们的个人发展，如提高计算和算法文化、发展空间推理和图形文化、扩展思维过程中的认知电路频谱，包括感知、理解、表示等方面。
- 对于教师来说，可视化建模是控制学生认知活动的有效工具，能够更好地呈现教学内容，提高教学的针对性和有效性。

整合ICT与数学教育的重要性

将ICT与数学教育进行整合，能够充分发挥两者的优势，为学生提供更丰富的学习资源和更有效的学习方式。通过利用计算机辅助数学系统（CɆS）和图形计算器等工具，学生可以更深入地参与科学研究和数学学习。
- 在解决科学和数学问题时，学生可以利用CɆS进行符号和数值计算，提高计算效率和准确性。
- 图形计算器可以帮助学生解决复杂的计算问题，同时记录和可视化问题解决的各个阶段，增强学生对数学的兴趣和理解。

整合ICT与数学教育需要学生具备一定的专业技能，如解决问题的能力、数学建模能力、应用ICT的能力、逻辑思维能力和沟通能力等。通过培养这些技能，学生能够更好地适应现代科学和数学教育的需求，为未来的学习和工作打下坚实的基础。

总之，远程温度监测系统的设计与开发以及科学数学教育中的可视化建模都是具有重要意义的研究领域。通过不断探索和实践，我们可以进一步优化远程温度监测系统的性能，提高科学和数学教育的质量，为相关领域的发展做出更大的贡献。