基于LabVIEW的化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉成江 殷錫藝 張瑤 李天龍

摘要：文章介紹了基于LabVIEW的化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)以“原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定”為例，通過軟件整體布局和仿真實(shí)驗(yàn)編程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)總開關(guān)控制、接線開關(guān)與電池類型選擇、電位差計(jì)操作與原理圖顯示以及檢流計(jì)與測(cè)量等模塊的功能。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）08-0043-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能的重要途徑，然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在一些問題，如設(shè)備、材料和安全等方面的限制。因此，開發(fā)基于計(jì)算機(jī)仿真的化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有重要意義。LabVIEW作為一種強(qiáng)大的開發(fā)工具，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化編程，為化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了良好的平臺(tái)。本文以“原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定”為例，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)總開關(guān)控制模塊、接線開關(guān)與電池類型選擇模塊、電位差計(jì)操作與原理圖顯示模塊以及檢流計(jì)與測(cè)量模塊。通過軟件整體布局和仿真實(shí)驗(yàn)編程，實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)模塊的功能。

1 化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

首先，選用LabVIEW軟件，將實(shí)驗(yàn)室操作場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)所需器材進(jìn)行建模和仿真，以便在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1]。同時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)立足整體布局，以保證系統(tǒng)組成部分能夠精準(zhǔn)地模擬實(shí)驗(yàn)操作流程、儀器功能等。為提升用戶體驗(yàn)，使用CorelDRAW軟件設(shè)計(jì)程序面板的外觀，使其逼真地模擬實(shí)際的儀器、試劑和玻璃試管等，且保證界面清晰易懂，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生獲得沉浸式實(shí)驗(yàn)感受。

其次，在仿真系統(tǒng)的前面板上，選擇適合的控件來表示實(shí)驗(yàn)中所使用的儀器和操作元素。通過添加數(shù)字顯示、開關(guān)按鈕、滑動(dòng)條等控件，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互；通過調(diào)整控件的位置和順序，確保用戶能夠方便地操作系統(tǒng)，并獲得所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]。為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的程序化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用圖形化的程序框圖來構(gòu)建系統(tǒng)的功能模塊，并通過線連接它們，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和處理，使程序的邏輯結(jié)構(gòu)更清晰，易于理解和調(diào)試。

再次，通過模塊化和層次化的設(shè)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)儀器模塊獨(dú)立運(yùn)行，并且可以作為其他模塊的一部分來使用，使系統(tǒng)具有靈活性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要進(jìn)行組合和調(diào)整，以滿足不同實(shí)驗(yàn)的要求。

最后，在編程過程中，利用控件的屬性來獲取和設(shè)置其值，簡(jiǎn)化程序框圖中的連線。通過調(diào)用控件的屬性，直接操作控件，而無需使用額外的變量來存儲(chǔ)和傳遞數(shù)據(jù)，以降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可讀性和可維護(hù)性。

2 以“原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定”為例的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 軟件整體布局

整體框架如圖1所示。

在設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之前，首先要了解測(cè)量原電池電動(dòng)勢(shì)和電極電勢(shì)的原理，以及使用電位差計(jì)進(jìn)行電動(dòng)勢(shì)測(cè)量的原理和操作步驟。為實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)計(jì)了4個(gè)選項(xiàng)卡的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：

第一，儀器與試劑選項(xiàng)卡中，介紹使用的儀器和所需的試劑，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)所需的工具和材料。

第二，仿真實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)中，在明確仿真實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)卡是整個(gè)系統(tǒng)核心部分的基礎(chǔ)上，展示電位差計(jì)的內(nèi)部原理圖和與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的控制按鈕和儀器[3]。通過與仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行互動(dòng)，學(xué)生可以模擬實(shí)際測(cè)量過程，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟的理解。

第三，實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)處理選項(xiàng)卡，可以提供記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的工具和方法，幫助學(xué)生整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第四，注意事項(xiàng)和反思選項(xiàng)卡，提醒學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要注意的事項(xiàng)，并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思和總結(jié)，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)編程

2.2.1 實(shí)驗(yàn)總開關(guān)控制模塊

為有效控制實(shí)驗(yàn)，確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開始后操作儀器，避免錯(cuò)誤操作和實(shí)驗(yàn)混亂，對(duì)實(shí)驗(yàn)總開關(guān)控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路為：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，表示未進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，儀器不可操作；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，表示開始實(shí)驗(yàn)，可以操作所有儀器。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，首先，將實(shí)驗(yàn)總開關(guān)放置于循環(huán)框架外，無論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)總開關(guān)的操作不會(huì)受到循環(huán)框架的影響。其次，通過設(shè)置初始值，確保在實(shí)驗(yàn)開始之前，所有儀器都處于禁用狀態(tài)，防止學(xué)生在實(shí)驗(yàn)未開始時(shí)操作儀器，避免任何意外事件的發(fā)生。最后，通過在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行重置操作來實(shí)現(xiàn)，使得下一次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，所有儀器都處于初始狀態(tài)，可以重新進(jìn)行操作。通過控制模塊的設(shè)計(jì)，有效保證儀器的操作狀態(tài)，提升了仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性創(chuàng)設(shè)。

2.2.2 接線開關(guān)與電池類型選擇模塊

為使學(xué)生更方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的連接，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了直觀的視覺反饋。同時(shí)，通過判斷儀器是否已連接線，可以確保實(shí)驗(yàn)回路的閉合性，并相應(yīng)地展示操作面板上的動(dòng)作。

為方便學(xué)生操作，系統(tǒng)添加了開關(guān)按鈕，該開關(guān)按鈕操作位點(diǎn)擊連線式，在系統(tǒng)使用中，學(xué)生可以在點(diǎn)擊該按鈕后，在系統(tǒng)顯示屏幕上顯示出具體的連線信息。基于此，學(xué)生可以通過導(dǎo)入相應(yīng)圖片，顯示出不同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，提升了連線的直觀性、可操作性。

儀器連線的完整性是后續(xù)測(cè)量能否順利進(jìn)行的先決條件[4]。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要設(shè)定條件：儀器是否連線成功。以此保證在連線完整的情況下，才能進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量步驟。

為適應(yīng)實(shí)際教學(xué)條件，系統(tǒng)還提供了兩種工作電源選項(xiàng)，即穩(wěn)壓電源和鉀電池。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇合適的電源類型，以便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，這樣可以提供更靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，滿足不同實(shí)驗(yàn)要求的需要。在學(xué)生點(diǎn)擊“電源類型”選擇開關(guān)時(shí)，穩(wěn)壓電源和鉀電池兩張圖片會(huì)交替出現(xiàn)。

2.2.3 電位差計(jì)操作與原理圖顯示模塊

在制作原理圖的過程中，本文考慮了以下幾點(diǎn)：

第一，統(tǒng)一性。應(yīng)保證原理圖顯示的信息與操作面板具有一致性，使按鈕能夠充分體現(xiàn)在原理圖中，且原理圖能夠真實(shí)、全面反映電路連接的情況。

第二，簡(jiǎn)潔性。編程時(shí)將干擾線路進(jìn)行淡化處理，突出主要的電路，以便學(xué)生能夠快速理解[5]。

第三，色彩和統(tǒng)一性。保證學(xué)生繪制原理圖時(shí)，原理圖色彩鮮明的特征。

除上述內(nèi)容外，為使學(xué)生能夠通過仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作，更深入地理解電位差計(jì)的工作原理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了一種動(dòng)態(tài)旋鈕的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電位差計(jì)的仿真效果。具體制作過程如下：

第一，旋鈕控件。使用一個(gè)旋鈕狀布爾控件作為底層，通過修改布爾控件的樣式、顏色或透明度的方式，使布爾控件將不再具有可見的背景，從而將其編輯為透明狀態(tài)。同時(shí)將刻度值近似到整數(shù)，并將其置于布爾控件上方，使學(xué)生在旋轉(zhuǎn)布爾控件時(shí)，更直觀地了解當(dāng)前選定的數(shù)值。

第二，狀態(tài)改變。當(dāng)旋鈕控件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控件會(huì)檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的方向和程度，并將這些信息傳遞給相應(yīng)的處理程序，以不斷改變布爾控件的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)旋鈕的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)效果。例如，當(dāng)旋鈕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，布爾控件可以從關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)；當(dāng)旋鈕逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則可以從打開狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。

第三，同步轉(zhuǎn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)電位差計(jì)面板上旋鈕的操作與原理圖中轉(zhuǎn)輪上指針的刻度值同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使用公式節(jié)點(diǎn)將旋鈕控件的整數(shù)數(shù)值直接賦予原理圖中轉(zhuǎn)輪上指針的刻度值，確保旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)，指針相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。

第四，電流數(shù)值顯示。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在原理圖上與電流回路進(jìn)行精準(zhǔn)化對(duì)應(yīng)，同時(shí)為保證仿真系統(tǒng)具有可視化特征，添加一個(gè)顯示框，用于顯示電流值，使學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)操作過程中，能夠明確實(shí)驗(yàn)的原理。

2.2.4 檢流計(jì)與測(cè)量模塊

2.2.4.1 運(yùn)算準(zhǔn)備

為提高程序的可修改性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，在編程過程中，數(shù)據(jù)包括工作回路可調(diào)電阻Rj和測(cè)量回路可調(diào)電阻Rx。通過數(shù)據(jù)部分獨(dú)立編寫，可以對(duì)其進(jìn)行修改和調(diào)整，而不必修改整個(gè)程序，使程序在更具靈活性的基礎(chǔ)上，程序能夠適應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)需求和參數(shù)變化。

LabVIEW軟件中，工作回路可調(diào)電阻Rj自帶公式表示為：

[Rj=R1*240+R2*14.5+R3*1+R4*0.05]? ? （1）

[Rx=R1*1000+R2*100+R3*10+R4*1+R5*0.1+R6*0.01]? ?（2）

2.2.4.2 差值計(jì)算

電位差計(jì)的轉(zhuǎn)換開關(guān)是一個(gè)量表控件，它具有不同的狀態(tài)和相應(yīng)的對(duì)話提示框，以指導(dǎo)操作中可能出現(xiàn)的問題。通過調(diào)整電位差計(jì)的狀態(tài)，可以選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量范圍和精度，以便獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。在電位差計(jì)處于特定狀態(tài)時(shí)，可以使用25℃下標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓。該方法可以模擬實(shí)際的測(cè)量過程，并簡(jiǎn)化測(cè)量步驟。因此，通過比較實(shí)驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值，并觀察檢流計(jì)光標(biāo)的擺動(dòng)以及利用電位差計(jì)的轉(zhuǎn)換開關(guān)和相應(yīng)的對(duì)話提示框，可以在測(cè)量過程中進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，從而簡(jiǎn)化操作并獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。并將實(shí)際電流值與標(biāo)準(zhǔn)電流值I的差值作為結(jié)果輸出。

2.2.4.3 差值放大

差值放大器可以將差值信號(hào)放大到更合適的范圍，以便更精確地觀察和記錄實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差大小。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程，本系統(tǒng)的前期計(jì)算中將計(jì)算后的差值進(jìn)行一次放大[7]。由于差值通常在10數(shù)量級(jí)上，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇將其放大10倍，以得到更易于處理和觀察的數(shù)據(jù)。為準(zhǔn)確反映電位差計(jì)的粗測(cè)和細(xì)測(cè)以及檢流計(jì)的不同檔位對(duì)應(yīng)的光標(biāo)擺幅變化，分析檢流計(jì)實(shí)際擺動(dòng)現(xiàn)象，并為每個(gè)檔位乘以適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)。

2.2.4.4 檢流計(jì)光標(biāo)顯示及調(diào)零

為實(shí)現(xiàn)檢流計(jì)開關(guān)后光標(biāo)的顯示效果，本系統(tǒng)使用了CorelDRAW繪制了與檢流計(jì)刻度相似但稍暗的圖片。當(dāng)檢流計(jì)開關(guān)狀態(tài)為T時(shí)，即開關(guān)閉合時(shí)，圖片布爾顯示為透明狀態(tài)，從而顯示出背后的光標(biāo)和刻度[8]。

2.2.4.5測(cè)量

為能夠在系統(tǒng)中有效調(diào)節(jié)可變電阻的數(shù)值，提升仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將放大后的數(shù)值轉(zhuǎn)化為信號(hào)。基于此，將信號(hào)輸入檢流計(jì)中，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)偏轉(zhuǎn)，提升仿真實(shí)驗(yàn)的可視化操作。通過實(shí)驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)，若檢流計(jì)的電流A值過大，則光標(biāo)的偏轉(zhuǎn)速度會(huì)增加，且會(huì)出現(xiàn)左右晃動(dòng)的情況。同時(shí)，伴隨有振幅減小、頻率減小的情況，直至停止。這種現(xiàn)象可能是由于檢流計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理所導(dǎo)致的。由于彈簧的彈性和質(zhì)量的慣性作用，光標(biāo)在受到電流沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，振幅和頻率會(huì)逐漸減小，最終停止在一個(gè)位置上。需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)操作中，應(yīng)該盡量避免將電流設(shè)置得過大，以免引起光標(biāo)的過大振動(dòng)。同時(shí)，也可以嘗試調(diào)整檢流計(jì)的靈敏度和阻尼來控制光標(biāo)的振動(dòng)情況。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試

通過LabVIEW軟件，選擇了銅鋅電池、鋅甘汞電池以及鋅濃差電池進(jìn)行測(cè)量，得到如下結(jié)果：1.085590V、0.980265V和0.032163V，該結(jié)果與既有研究成果得到的結(jié)果相符合[9]。

3 結(jié)束語

文章通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW的化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，使得用戶能在計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)總開關(guān)控制、接線開關(guān)與電池類型選擇、電位差計(jì)操作與原理圖顯示以及檢流計(jì)與測(cè)量等功能。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、直觀、安全、靈活的特性，能為學(xué)生提供學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的便捷途徑。鑒于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于LabVIEW的化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)必將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許林廣，孫明國(guó)，張剛，等.基于LabVIEW的氣體吸收光譜仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2023，36（5）：97-101.

[2] 陳忻熠，孫雅芃.基于Multisim和LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2023，47（7）：50-55，63.

[3] 龐啟，成妍妍，龍翠翠.基于LabVIEW的電容式傳感器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2022，58（3）：32-34.

[4] 龐啟，成妍妍，龍翠翠.基于LabVIEW的熱電偶傳感器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].甘肅科技縱橫，2022，51（1）：23-25.

[5] 朱琳琳，黃翼天，丁格曼.基于LabVIEW的數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)及其在遠(yuǎn)程教學(xué)中的運(yùn)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2021，34（6）：93-97.

[6] 劉素娟.基于仿真軟件的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源整合系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2021，37（8）：170-172.

[7] 王星，陳建勇，謝東.設(shè)計(jì)基于LabVIEW的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)——以“惠斯通直流單臂電橋測(cè)電阻” 為例[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2021（3）：184-185.

[8] 王建浩，趙琛，宋昱儒，等.基于LabVIEW的平面透射光柵虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，45（11）：176-181.

[9] 李勇，周甦.基于LabVIEW的中學(xué)物理虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].知識(shí)文庫，2020（7）：28，30.

【通聯(lián)編輯：代影】