基于LabVIEW的化学实验仿真系统设计

刘成江 殷锡艺 张瑶 李天龙

摘要：文章介绍了基于LabVIEW的化学实验仿真系统的设计思路和实现过程。该系统以“原电池电动势测定”为例，通过软件整体布局和仿真实验编程，实现了实验总开关控制、接线开关与电池类型选择、电位差计操作与原理图显示以及检流计与测量等模块的功能。

关键词：LabVIEW；化学实验；仿真系统

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0043-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

化学实验是学习化学知识和培养实验技能的重要途径，然而传统实验存在一些问题，如设备、材料和安全等方面的限制。因此，开发基于计算机仿真的化学实验系统具有重要意义。LabVIEW作为一种强大的开发工具，能够实现图形化编程，为化学实验仿真系统的设计提供了良好的平台。本文以“原电池电动势测定”为例，设计了基于LabVIEW的化学实验仿真系统。系统包括实验总开关控制模块、接线开关与电池类型选择模块、电位差计操作与原理图显示模块以及检流计与测量模块。通过软件整体布局和仿真实验编程，实现各设计模块的功能。

1 化学仿真实验系统设计思路

首先，选用LabVIEW软件，将实验室操作场景和实验所需器材进行建模和仿真，以便在虚拟环境中进行实验[1]。同时，本系统设计立足整体布局，以保证系统组成部分能够精准地模拟实验操作流程、仪器功能等。为提升用户体验，使用CorelDRAW软件设计程序面板的外观，使其逼真地模拟实际的仪器、试剂和玻璃试管等，且保证界面清晰易懂，激发学生的实验兴趣，使学生获得沉浸式实验感受。

其次，在仿真系统的前面板上，选择适合的控件来表示实验中所使用的仪器和操作元素。通过添加数字显示、开关按钮、滑动条等控件，实现用户与虚拟实验系统的交互；通过调整控件的位置和顺序，确保用户能够方便地操作系统，并获得所需的实验结果[2]。为实现虚拟仪器的程序化设计，本系统设计使用图形化的程序框图来构建系统的功能模块，并通过线连接它们，以实现数据的传递和处理，使程序的逻辑结构更清晰，易于理解和调试。

再次，通过模块化和层次化的设计，将实验中的每个仪器模块独立运行，并且可以作为其他模块的一部分来使用，使系统具有灵活性和可扩展性，可以根据需要进行组合和调整，以满足不同实验的要求。

最后，在编程过程中，利用控件的属性来获取和设置其值，简化程序框图中的连线。通过调用控件的属性，直接操作控件，而无需使用额外的变量来存储和传递数据，以降低程序的复杂度，提高程序的可读性和可维护性。

2 以“原电池电动势测定”为例的仿真实验系统

2.1 软件整体布局

整体框架如图1所示。

在设计仿真实验系统之前，首先要了解测量原电池电动势和电极电势的原理，以及使用电位差计进行电动势测量的原理和操作步骤。为实现实际应用目标，设计了4个选项卡的仿真实验系统：

第一，仪器与试剂选项卡中，介绍使用的仪器和所需的试剂，让学生了解实验所需的工具和材料。

第二，仿真实验选项卡设计中，在明确仿真实验选项卡是整个系统核心部分的基础上，展示电位差計的内部原理图和与实验相关的控制按钮和仪器[3]。通过与仿真实验进行互动，学生可以模拟实际测量过程，加深对实验原理和操作步骤的理解。

第三，实验记录与数据处理选项卡，可以提供记录实验结果和对数据进行处理的工具和方法，帮助学生整理和分析实验数据。

第四，注意事项和反思选项卡，提醒学生在进行实验时需要注意的事项，并鼓励学生对实验进行反思和总结，以提高学生的实验技能和科学素养。

2.2 仿真实验编程

2.2.1 实验总开关控制模块

为有效控制实验，确保学生在实验开始后操作仪器，避免错误操作和实验混乱，对实验总开关控制模块进行设计，设计思路为：当开关断开时，表示未进入实验室，仪器不可操作；当开关闭合时，表示开始实验，可以操作所有仪器。为实现设计目标，首先，将实验总开关放置于循环框架外，无论系统处于何种状态，实验总开关的操作不会受到循环框架的影响。其次，通过设置初始值，确保在实验开始之前，所有仪器都处于禁用状态，防止学生在实验未开始时操作仪器，避免任何意外事件的发生。最后，通过在每次实验结束后进行重置操作来实现，使得下一次实验开始时，所有仪器都处于初始状态，可以重新进行操作。通过控制模块的设计，有效保证仪器的操作状态，提升了仿真实验环境的真实性创设。

2.2.2 接线开关与电池类型选择模块

为使学生更方便地进行实验仪器的连接，本系统设计应用了直观的视觉反馈。同时，通过判断仪器是否已连接线，可以确保实验回路的闭合性，并相应地展示操作面板上的动作。

为方便学生操作，系统添加了开关按钮，该开关按钮操作位点击连线式，在系统使用中，学生可以在点击该按钮后，在系统显示屏幕上显示出具体的连线信息。基于此，学生可以通过导入相应图片，显示出不同的实验状态，提升了连线的直观性、可操作性。

仪器连线的完整性是后续测量能否顺利进行的先决条件[4]。因此，本系统设计中，需要设定条件：仪器是否连线成功。以此保证在连线完整的情况下，才能进行后续的测量步骤。

为适应实际教学条件，系统还提供了两种工作电源选项，即稳压电源和钾电池。学生可以根据实验需求选择合适的电源类型，以便进行实验操作，这样可以提供更灵活的实验环境，满足不同实验要求的需要。在学生点击“电源类型”选择开关时，稳压电源和钾电池两张图片会交替出现。

2.2.3 电位差计操作与原理图显示模块

在制作原理图的过程中，本文考虑了以下几点：

第一，统一性。应保证原理图显示的信息与操作面板具有一致性，使按钮能够充分体现在原理图中，且原理图能够真实、全面反映电路连接的情况。

第二，简洁性。编程时将干扰线路进行淡化处理，突出主要的电路，以便学生能够快速理解[5]。

第三，色彩和统一性。保证学生绘制原理图时，原理图色彩鲜明的特征。

除上述内容外，为使学生能够通过仿真实验系统操作，更深入地理解电位差计的工作原理，本系统设计中采用了一种动态旋钮的设计，以实现电位差计的仿真效果。具体制作过程如下：

第一，旋钮控件。使用一个旋钮状布尔控件作为底层，通过修改布尔控件的样式、颜色或透明度的方式，使布尔控件将不再具有可见的背景，从而将其编辑为透明状态。同时将刻度值近似到整数，并将其置于布尔控件上方，使学生在旋转布尔控件时，更直观地了解当前选定的数值。

第二，状态改变。当旋钮控件转动时，控件会检测到旋转的方向和程度，并将这些信息传递给相应的处理程序，以不断改变布尔控件的状态，实现旋钮的动态转动效果。例如，当旋钮顺时针转动时，布尔控件可以从关闭状态变为打开状态；当旋钮逆时针转动时，则可以从打开状态变为关闭状态。

第三，同步转动。为实现电位差计面板上旋钮的操作与原理图中转轮上指针的刻度值同步转动，使用公式节点将旋钮控件的整数数值直接赋予原理图中转轮上指针的刻度值，确保旋转旋钮时，指针相应转动[6]。

第四，电流数值显示。在本系统设计中，在原理图上与电流回路进行精准化对应，同时为保证仿真系统具有可视化特征，添加一个显示框，用于显示电流值，使学生在仿真实验操作过程中，能够明确实验的原理。

2.2.4 检流计与测量模块

2.2.4.1 运算准备

为提高程序的可修改性、可维护性和可扩展性，在编程过程中，数据包括工作回路可调电阻Rj和测量回路可调电阻Rx。通过数据部分独立编写，可以对其进行修改和调整，而不必修改整个程序，使程序在更具灵活性的基础上，程序能够适应不同的实验需求和参数变化。

LabVIEW软件中，工作回路可调电阻Rj自带公式表示为：

[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 差值计算

电位差计的转换开关是一个量表控件，它具有不同的状态和相应的对话提示框，以指导操作中可能出现的问题。通过调整电位差计的状态，可以选择适当的测量范围和精度，以便获得准确的测量结果。在电位差计处于特定状态时，可以使用25℃下标准电池的电压。该方法可以模拟实际的测量过程，并简化测量步骤。因此，通过比较实验值和标准值，并观察检流计光标的摆动以及利用電位差计的转换开关和相应的对话提示框，可以在测量过程中进行校准和调整，从而简化操作并获得准确的测量结果。并将实际电流值与标准电流值I的差值作为结果输出。

2.2.4.3 差值放大

差值放大器可以将差值信号放大到更合适的范围，以便更精确地观察和记录实验值与标准值之间的偏差大小。为简化数据处理流程，本系统的前期计算中将计算后的差值进行一次放大[7]。由于差值通常在10数量级上，所以本系统设计选择将其放大10倍，以得到更易于处理和观察的数据。为准确反映电位差计的粗测和细测以及检流计的不同档位对应的光标摆幅变化，分析检流计实际摆动现象，并为每个档位乘以适当的放大倍数。

2.2.4.4 检流计光标显示及调零

为实现检流计开关后光标的显示效果，本系统使用了CorelDRAW绘制了与检流计刻度相似但稍暗的图片。当检流计开关状态为T时，即开关闭合时，图片布尔显示为透明状态，从而显示出背后的光标和刻度[8]。

2.2.4.5测量

为能够在系统中有效调节可变电阻的数值，提升仿真实验系统的精准性，本系统设计将放大后的数值转化为信号。基于此，将信号输入检流计中，实现光标偏转，提升仿真实验的可视化操作。通过实验操作发现，若检流计的电流A值过大，则光标的偏转速度会增加，且会出现左右晃动的情况。同时，伴随有振幅减小、频率减小的情况，直至停止。这种现象可能是由于检流计的内部结构和工作原理所导致的。由于弹簧的弹性和质量的惯性作用，光标在受到电流冲击时会发生振动。随着时间的推移，振幅和频率会逐渐减小，最终停止在一个位置上。需要注意的是，在实验操作中，应该尽量避免将电流设置得过大，以免引起光标的过大振动。同时，也可以尝试调整检流计的灵敏度和阻尼来控制光标的振动情况。

2.3 仿真实验系统调试

通过LabVIEW软件，选择了铜锌电池、锌甘汞电池以及锌浓差电池进行测量，得到如下结果：1.085590V、0.980265V和0.032163V，该结果与既有研究成果得到的结果相符合[9]。

3 结束语

文章通过设计和实现基于LabVIEW的化学实验仿真系统，使得用户能在计算机上模拟进行各种化学实验，并实现了实验总开关控制、接线开关与电池类型选择、电位差计操作与原理图显示以及检流计与测量等功能。同时，本文设计的系统具有简单、直观、安全、灵活的特性，能为学生提供学习化学实验的便捷途径。鉴于信息技术的飞速发展，基于LabVIEW的化学实验仿真系统必将拥有更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 许林广，孙明国，张刚，等.基于LabVIEW的气体吸收光谱仿真实验教学设计[J].大学物理实验，2023，36（5）：97-101.

[2] 陈忻熠，孙雅芃.基于Multisim和LabVIEW的虚拟实验平台设计与实现[J].信息技术，2023，47（7）：50-55，63.

[3] 庞启，成妍妍，龙翠翠.基于LabVIEW的电容式传感器虚拟仿真实验系统设计[J].现代制造技术与装备，2022，58（3）：32-34.

[4] 庞启，成妍妍，龙翠翠.基于LabVIEW的热电偶传感器虚拟仿真实验系统设计[J].甘肃科技纵横，2022，51（1）：23-25.

[5] 朱琳琳，黄翼天，丁格曼.基于LabVIEW的数字信号平均实验的仿真设计及其在远程教学中的运用[J].大学物理实验，2021，34（6）：93-97.

[6] 刘素娟.基于仿真软件的虚拟教学实验资源整合系统设计[J].微型电脑应用，2021，37（8）：170-172.

[7] 王星，陈建勇，谢东.设计基于LabVIEW的大学物理虚拟实验——以“惠斯通直流单臂电桥测电阻” 为例[J].科学咨询（科技·管理），2021（3）：184-185.

[8] 王建浩，赵琛，宋昱儒，等.基于LabVIEW的平面透射光栅虚拟仿真实验开发[J].西南师范大学学报（自然科学版），2020，45（11）：176-181.

[9] 李勇，周甦.基于LabVIEW的中学物理虚拟仿真系统设计[J].知识文库，2020（7）：28，30.

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