專利名稱：光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于測量時(shí)間、位移的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，該實(shí)驗(yàn)器主要 用于在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中測量時(shí)間和位移，并以時(shí)間和位移為基礎(chǔ)測得運(yùn)動(dòng)物體的速度和加 速度。屬于屬于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空測量(物體所達(dá)到的空間位置和該位置對應(yīng)的時(shí)間)技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
[0002]經(jīng)過幾百年的發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域已積累起了不少用于測量時(shí)間和位移的儀 器設(shè)備，如頻閃照相機(jī)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等。此類工具的優(yōu)點(diǎn)是保有量大，使用相對簡單，缺點(diǎn)是 以間接研究為主，儀器設(shè)備和研究對象分離，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)精度普遍較低。[0003]隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，激光測距、超聲波測距、光電讀碼測距等能夠同 時(shí)測量時(shí)間和位移的技術(shù)發(fā)展起來。受安全及成本的限制，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用較為廣泛 的是超聲波測距儀器。由于超聲波的傳播易受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓以及反射面的影 響，致使其測量精度低，穩(wěn)定性差，形成的超聲波測距儀器普遍存在測量盲區(qū)。[0004]目前出現(xiàn)了將光電讀碼技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用的“軌道+小車”進(jìn)行結(jié)合的實(shí) 驗(yàn)技術(shù)，使用安裝了光電讀碼器的小車在印刷有等距條碼的軌道上運(yùn)行，把小車的運(yùn)行過 程轉(zhuǎn)換為了光電讀碼的過程，排除了超聲波測距系統(tǒng)面臨的各種干擾因素，顯著提高了時(shí) 間和位移測量中的精度，但是采用光電讀碼原理的“軌道+小車”系統(tǒng)先天存在對軌道的較 高要求，不僅需要軌道面格外平整、潔凈，還要求確保等距條碼的印刷質(zhì)量，否則光電讀碼 的效果就要受到影響。同時(shí)，受限于當(dāng)前的印刷工藝，等距條碼的間距不能做得太細(xì)，因此 整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)精度(測距的分辨率)只能達(dá)到I毫米。盡管該精度已高于超聲波傳感器， 但距離實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理想要求還有些欠缺。發(fā)明內(nèi)容[0005]為了克服現(xiàn)有的物理教學(xué)中軌道實(shí)驗(yàn)器存在的測量距離精度低、對軌道要求高等 問題，本實(shí)用新型提供一種精度高、對軌道要求低、性能穩(wěn)定的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器。[0006]本實(shí)用新型的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，采用以下技術(shù)解決方案[0007]該光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，包括光電計(jì)時(shí)測距小車、軌道、無線接收模塊和計(jì)算機(jī)， 光電計(jì)時(shí)測距小車放置在軌道上，軌道上設(shè)有中縫，光電計(jì)時(shí)測距小車的前輪放置在該中 縫中，光電計(jì)時(shí)測距小車與無線接收模塊采用無線方式通訊，無線接收模塊與計(jì)算機(jī)相 連；[0008]光電計(jì)時(shí)測距小車包括車體、供電電路、計(jì)時(shí)電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路 和無線發(fā)射電路，各個(gè)電路均內(nèi)置在車體中，車體上設(shè)置有起始點(diǎn)調(diào)零按鍵和電源開關(guān)，起 始點(diǎn)調(diào)零按鍵與信號(hào)處理電路連接，車體的前端設(shè)置有磁鐵，后端設(shè)有連接帶，車體下方安 裝前輪和后輪，其中前輪與信號(hào)采集電路中的盤式擋光柵同軸安裝在一起；供電電路與其 它各電路連接，信號(hào)采集電路連接信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路與無線發(fā)射電路相連接；[0009]無線接收模塊包括無線接收電路、數(shù)據(jù)解析電路、接口電路和供電電路，無線接收 電路與數(shù)據(jù)解析電路連接，數(shù)據(jù)解析電路與接口電路連接，無線接收電路、數(shù)據(jù)解析電路和 接口電路均與無線接收器的供電電路連接。[0010]光電計(jì)時(shí)測距小車的信號(hào)采集電路包括光學(xué)門和盤式擋光柵，盤式擋光柵與前輪 同軸安裝，光電門固定在車體上，光電門的發(fā)射管和接收管分別處于盤式擋光柵兩側(cè)。光電 門讀取盤式擋光柵的運(yùn)動(dòng)信息。[0011]光電計(jì)時(shí)測距小車的信號(hào)處理電路采用單片機(jī)U2，負(fù)責(zé)將光電門測量到的“擋光、 透光”數(shù)據(jù)進(jìn)行初級處理，計(jì)算出位移數(shù)據(jù)，并將位移數(shù)據(jù)與對應(yīng)的時(shí)刻進(jìn)行編碼，提供給 無線發(fā)射電路并控制后者的數(shù)據(jù)通訊。[0012]光電計(jì)時(shí)測距小車的無線發(fā)射電路包括從藍(lán)牙串口模塊Ul和配對指示燈D2，兩 者均與信號(hào)處理電路連接。信號(hào)處理電路中的單片機(jī)U2將處理后的距離值數(shù)據(jù)通過串口 接口與從藍(lán)牙串口模塊Ul相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從藍(lán)牙串口模塊Ul再將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā) 出，配對指示燈D2與單片機(jī)U2連接，用于指示藍(lán)牙配對是否成功。[0013]無線接收模塊的無線接收電路包括主藍(lán)牙串口模塊U6和藍(lán)牙配對指示燈D3，主 藍(lán)牙串口模塊U6用于接收與之配對的從藍(lán)牙串口模塊發(fā)射的電磁波，并將其內(nèi)部數(shù)據(jù)信 息解析出來，通過串口接口發(fā)送給數(shù)據(jù)解析電路，藍(lán)牙配對指示燈D3的指示狀態(tài)用于指示 主藍(lán)牙串口模塊是否與從藍(lán)牙串口模塊配對成功。[0014]無線接收模塊的數(shù)據(jù)解析電路包括單片機(jī)U7和程序下載接口 J2，單片機(jī)U7用于 接收主藍(lán)牙串口模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，再通過USB接口電路上傳至計(jì)算 機(jī)，程序下載接口連接至單片機(jī)U7，用于單片機(jī)的程序下載。[0015]無線接收模塊的接口電路包括瞬態(tài)抑制二極管TVSl和USB接口 Jl，瞬態(tài)抑制二極 管TVSl連接USB接口 Jl和單片機(jī)U7的第8、9腳，對數(shù)據(jù)通訊起到靜電保護(hù)作用，USB接 口 Jl連接計(jì)算機(jī)。[0016]實(shí)驗(yàn)時(shí)，將光電計(jì)時(shí)測距小車放置在軌道任意位置，將無線接收模塊接入計(jì)算機(jī)， 打開小車上的電源開關(guān)，并輕按小車上的調(diào)零按鍵，則此位置即為位移測量的零點(diǎn)。移動(dòng)小 車，小車內(nèi)部光電門即可檢測到盤式擋光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，再經(jīng)信號(hào)處理電路將其轉(zhuǎn)化為成 對的時(shí)間和位移數(shù)字信號(hào)，并通過無線通訊電路中的藍(lán)牙串口模塊將數(shù)字信號(hào)發(fā)送出去。 無線接收模塊接收到上述信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并通過USB接口將解析后的數(shù)據(jù)上傳到計(jì) 算機(jī)，實(shí)時(shí)顯示小車當(dāng)前位置與零點(diǎn)之間的距離，并可描繪出“位移-時(shí)間”圖線，依據(jù)所獲 的數(shù)據(jù)，還可以計(jì)算小車運(yùn)行的速度、加速度。[0017]本實(shí)用新型改變了現(xiàn)有“軌道+小車”模式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，小車作為被測物體，另需 超聲波、光電門、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或閃光照相等作為測量系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并通過將先進(jìn)的光電 測量系統(tǒng)與小車前輪同軸安裝的盤式擋光柵融為一體，使傳統(tǒng)的被測物體具備了自主、直 接測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽遗懦松鲜龈鞣N測量系統(tǒng)本身難以消除的誤差。同時(shí)，應(yīng)用藍(lán) 牙無線通訊技術(shù)，將小車自主測量到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，避免了傳統(tǒng)測量儀器的累 贅的連線，結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單，實(shí)驗(yàn)操作格外方便。[0018]本實(shí)用新型徹底拋棄現(xiàn)有技術(shù)對于軌道上特定標(biāo)識(shí)的依賴，讓小車本身成為具有 計(jì)時(shí)、測距、數(shù)據(jù)處理和無線通訊功能的綜合體，采用的基礎(chǔ)技術(shù)成熟度高，穩(wěn)定性好，盤式 擋光柵的高精度將位移測量的分辨率提高到了 O. 1_，這在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域是不可能達(dá)到的，經(jīng)驗(yàn)證，本實(shí)用新型能夠完成中學(xué)物理涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)的所有實(shí)驗(yàn)。[0019]此外本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)光電計(jì)時(shí)測距小車之間的連接與碰撞，能夠在實(shí)驗(yàn)中支 持多輛小車并行使用，無線接收模塊可以對應(yīng)多個(gè)小車的無線發(fā)射源，同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)， 因而實(shí)時(shí)獲取多輛小車的“位移-時(shí)間”數(shù)據(jù)，并可依據(jù)所獲的數(shù)據(jù)，計(jì)算多輛小車碰撞前 后的速度一時(shí)間數(shù)據(jù)。


[0020]圖1是本實(shí)用新型中光電計(jì)時(shí)測距小車結(jié)構(gòu)的俯視圖。[0021]圖2是本實(shí)用新型中光電計(jì)時(shí)測距小車結(jié)構(gòu)的仰視圖。[0022]圖3是本實(shí)用新型中光電計(jì)時(shí)測距小車結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。[0023]圖4是本實(shí)用新型中光電計(jì)時(shí)測距小車結(jié)構(gòu)的后視圖。[0024]圖5是本實(shí)用新型中光電計(jì)時(shí)測距小車結(jié)構(gòu)的前視圖。[0025]圖6是本實(shí)用新型中與光電計(jì)時(shí)測距小車配套的軌道結(jié)構(gòu)示意圖。[0026]圖7是光電計(jì)時(shí)測距小車供電電路中開關(guān)機(jī)電路的原理圖。[0027]圖8是光電計(jì)時(shí)測距小車供電電路中穩(wěn)壓電路的原理圖。[0028]圖9是光電計(jì)時(shí)測距小車信號(hào)采集電路的原理圖。[0029]圖10是光電計(jì)時(shí)測距小車信號(hào)處理電路的原理圖。[0030]圖11是光電計(jì)時(shí)測距小車無線發(fā)射電路的原理圖。[0031]圖12是本實(shí)驗(yàn)器無線接收模塊的原理圖。[0032]圖13是本實(shí)驗(yàn)器無線接收模塊數(shù)據(jù)解析電路的原理圖。[0033]圖14是本實(shí)驗(yàn)器無線接收模塊USB接口電路的原理圖。[0034]圖15是本實(shí)驗(yàn)器無線接收模塊供電電路的原理圖。[0035]其中1、前輪，2、砝碼，3、電源開關(guān)，4、起始點(diǎn)調(diào)零按鍵，5、后輪，6、電池倉，7、尼龍 搭扣，8、磁鐵，9、中縫。
具體實(shí)施方式
[0036]本實(shí)用新型的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，包括光電計(jì)時(shí)測距小車、軌道、無線接收器和 計(jì)算機(jī)，光電計(jì)時(shí)測距小車放置在軌道上，光電計(jì)時(shí)測距小車與無線接收器采用藍(lán)牙無線 方式通訊，無線接收器與計(jì)算機(jī)相連，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。[0037]一.光電計(jì)時(shí)測距小車[0038]光電計(jì)時(shí)測距小車包括車體、供電電路、計(jì)時(shí)電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路 和無線發(fā)射電路，各個(gè)電路均內(nèi)置在車體中，供電電路與整個(gè)電路相連，為信號(hào)采集電路、 信號(hào)處理電路和無線發(fā)射電路提供電源，信號(hào)采集電路連接信號(hào)處理電路，將采集的各種 信號(hào)送至信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路與無線發(fā)射電路相連接，將處理好的數(shù)字信號(hào)通過 串口接口送至無線發(fā)射電路。[0039]車體的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示。車體前部安裝有前輪1，后部左 右各安裝一個(gè)后輪5，前輪I的直徑較大，與信號(hào)采集電路中的高精密度盤式擋光柵同軸安 裝，前輪I轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)盤式擋光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)后輪5為小直徑負(fù)重輪。信號(hào)采集電路中的 光電門安裝在擋光柵兩側(cè)。當(dāng)車體在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，前輪I和后輪5就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)盤式擋光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。光電門即可將轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的擋光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給信號(hào)采集電路的單片機(jī)。車體上面后部設(shè)置有電源開關(guān)3和起始點(diǎn)調(diào)零按鍵4，并放置有砝碼2，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變砝碼2的質(zhì)量來改變整個(gè)小車的質(zhì)量。如圖2所示，車體底面后部設(shè)置有電池倉6，電池倉6中安裝的是標(biāo)稱3. 7V的鋰電池。如圖4所示，車體后端設(shè)置有連接帶，連接帶可以采用公母兩種類型的尼龍搭扣7，實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將兩個(gè)小車通過尼龍搭扣7相對粘連在一起。 如圖5所示，兩塊強(qiáng)磁鐵8分別固定在車體前端的左右位置，兩塊強(qiáng)磁鐵8面向車外的極性相同，實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)小車的前端接近時(shí)相斥，用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的彈性碰撞和非彈性碰撞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，將兩個(gè)小車的方向轉(zhuǎn)為頭部相對或尾部相對。上述小車滾動(dòng)摩擦阻力較小，小車在軌道上的運(yùn)行可視為實(shí)驗(yàn)要求的理想狀態(tài)。[0040]如圖6所示，軌道是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的通用器材，一般是由鋁合金拉伸成形的。本實(shí)用新型所涉及的軌道特殊之處在于專門為小車前輪I設(shè)計(jì)了一條槽型的中縫9，該中縫9可對前輪I起到有效的支撐及限位作用，經(jīng)測試，前輪I與該中縫9的滾動(dòng)摩擦很小。軌道上位于中縫9的兩側(cè)設(shè)有較淺的細(xì)槽，用于對小車兩負(fù)重后輪5的限位。小車運(yùn)行時(shí)，與盤式擋光柵同軸的前輪恰好嵌入中縫。軌道的精密設(shè)計(jì)確保了車體在軌道上的運(yùn)行可被視為實(shí)驗(yàn)要求的理想狀態(tài)。[0041]光電計(jì)時(shí)測距小車的供電電路包括電源、開關(guān)機(jī)電路和穩(wěn)壓電路。電源采用鋰電池BT1，供電電壓3. 7V。如圖7所示，開關(guān)機(jī)電路主要由Ql場效應(yīng)管A03401、Q2三極管 8050、開關(guān)機(jī)按鍵SI組成。如圖8所示，穩(wěn)壓電路包括升壓芯片U4和穩(wěn)壓芯片U3，穩(wěn)壓電路輸出3. 3V電壓，為單片機(jī)電路和藍(lán)牙串口從屬模塊系統(tǒng)電路提供電源。鋰電池BTl連接至開關(guān)機(jī)電路，當(dāng)開關(guān)機(jī)按鍵SI按下時(shí)，開機(jī)電路使場效應(yīng)管Ql導(dǎo)通，同時(shí)將按鍵信號(hào)傳至單片機(jī)的Pl. 2腳，單片機(jī)檢測到按鍵信號(hào)，通過Pl.1腳控制場效應(yīng)管Ql狀態(tài)鎖定，完成開機(jī)。當(dāng)開關(guān)機(jī)按鍵再次按下時(shí)，單片機(jī)檢測到按鍵信號(hào)，控制Pl.1腳，使場效應(yīng)管Ql截止，完成關(guān)機(jī)。開關(guān)機(jī)電路的輸出電壓進(jìn)入升壓芯片U4的第7腳輸入，經(jīng)升壓后，在U4的第6腳輸出穩(wěn)定的5V電壓，5V電源為光學(xué)解碼器提供電源，同時(shí)進(jìn)入穩(wěn)壓芯片U3，U3穩(wěn)壓輸出3. 3V電壓，為單片機(jī)電路和從藍(lán)牙串口模塊系統(tǒng)電路提供電源。光電計(jì)時(shí)測距小車的計(jì)時(shí)電路采用頻率為22. 1184MHz的石英晶體振蕩器(XTl)， 為單片機(jī)U2提供系統(tǒng)時(shí)鐘。晶體振蕩器的使用可以保證單片機(jī)計(jì)時(shí)的精度和一致性，并可為計(jì)算機(jī)提供與位移數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)。[0043]光電計(jì)時(shí)測距小車的信號(hào)采集電路如圖9所示，由光電門U5和盤式擋光柵組成， 光柵編碼盤上均勻分布有500條透光光柵，光學(xué)解碼器U5讀取光柵編碼盤的運(yùn)動(dòng)信息，在第2、3腳輸出相位差為90°的兩路方波。信號(hào)米集電路的核心是光電門，該光電門擁有一對紅外線收發(fā)管，分別安裝在盤式擋光柵兩側(cè)。盤式擋光柵與小車前輪同軸安裝，上面共有均勻分布的500條光柵。盤式擋光柵在光電門的光電收發(fā)對管之間轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)光電門的輸出信號(hào)為兩路相位差為90度的方波，盤式擋光柵轉(zhuǎn)動(dòng)一圈兩路方波上升沿、下降沿共有2000個(gè)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)一周最終可獲得2000個(gè)“擋光、透光”信號(hào)，每個(gè)信號(hào)對應(yīng)的弧度值 α=2π /2000，則每個(gè)信號(hào)對應(yīng)車輪的弧長1= (2 31 /2000)*r，r為車輪的半徑。信號(hào)的計(jì)數(shù)值乘以每個(gè)信號(hào)對應(yīng)的弧長便是小車對應(yīng)的位移s=n*l= (2 31 /2000)*r*n=n* π *r/1000, η 為信號(hào)的計(jì)數(shù)值。根據(jù)兩路方波相位的前后，可判斷出小車運(yùn)動(dòng)的方向。如果方波A比方波B相位提前90度，則小車的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎蝗绻讲˙比方波A相位提前90度，則小車的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨?fù)。[0044]光電計(jì)時(shí)測距小車的信號(hào)處理電路如圖10所示，主要包括單片機(jī)U2 (C8051)，單 片機(jī)U2與光電門U5、調(diào)零按鍵、電源開關(guān)信號(hào)線、下載接口、電池電量不足指示電路相連。 單片機(jī)U2通過PO. 7、Pl. O連接光電門U5，檢測光柵編碼盤的運(yùn)動(dòng)信息，單片機(jī)U2再通過 內(nèi)部自帶的可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA捕捉功能捕捉兩路方波信號(hào)，使其產(chǎn)生中斷計(jì)數(shù)，進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理。將鋰電池BATl經(jīng)過開關(guān)機(jī)電路后的電壓通過R12、R13兩個(gè)電阻分壓后連接到 單片機(jī)U2的Pl. 3管腳，此管腳配置為DAC檢測管腳，通過程序判斷當(dāng)前的電壓，電池電量 不足指示電路利用Dl指示；調(diào)零按鍵S2與單片機(jī)U2第9腳相連，使其具有調(diào)零功能；下載 接口 Jl與單片機(jī)U2第4、5腳相連，為其提供程序下載接口。信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)將光電門 測量到的“擋光、透光”數(shù)據(jù)進(jìn)行初級處理，計(jì)算出位移數(shù)據(jù)，并將位移數(shù)據(jù)與對應(yīng)的時(shí)刻進(jìn) 行編碼，提供給無線收發(fā)電路并控制后者的數(shù)據(jù)通訊，該電路外接起始點(diǎn)調(diào)零按鍵4，可對 位移進(jìn)行人工置零，可將任意點(diǎn)設(shè)置為位移測量的起始點(diǎn)。[0045]光電計(jì)時(shí)測距小車的無線發(fā)射電路如圖11所示，包括從藍(lán)牙串口模塊Ul和配對 指示燈D2。單片機(jī)U2將處理后的距離值數(shù)據(jù)通過串口接口與從藍(lán)牙串口模塊Ul的第1、 2腳相連，具體是從藍(lán)牙串口模塊Ul的第1、2腳與單片機(jī)U2第21、22腳連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通 訊，串口通訊的波特率為115200bps，從藍(lán)牙串口模塊Ul再將數(shù)據(jù)載波到2. 4GHz電磁波中 以無線方式發(fā)出。配對指示燈D2與單片機(jī)U2連接，用于指示藍(lán)牙配對是否成功。[0046]二.無線接收模塊[0047]無線接收模塊包括無線接收電路、數(shù)據(jù)解析電路、接口電路和供電電路，無線接收 電路與數(shù)據(jù)解析電路連接，數(shù)據(jù)解析電路與USB接口電路連接，供電電路為電路提供電源。[0048]無線接收模塊的無線接收電路如圖12所示，包括主藍(lán)牙串口模塊U6、藍(lán)牙配對指 示燈D3以及配對按鍵S3。主藍(lán)牙串口模塊U2接收到與之配對的從藍(lán)牙串口模塊發(fā)射的2.4GHz電磁波，并將其內(nèi)部數(shù)據(jù)信息解析出來，通過串口接口發(fā)送給數(shù)據(jù)解析電路。主藍(lán)牙 串口模塊U6與藍(lán)牙配對指示燈D3連接，指示燈D3用于指示主藍(lán)牙串口模塊是否與從藍(lán)牙 串口模塊配對成功。配對按鍵S3與藍(lán)牙模塊的第26腳相連，按下時(shí)藍(lán)牙模塊將重新搜索 從藍(lán)牙模塊，自動(dòng)配對。[0049]無線接收模塊的數(shù)據(jù)解析電路如圖13所示，主要包括單片機(jī)U7和程序下載接口 J2。單片機(jī)Ul用于接收主藍(lán)牙串口模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，再通過接口電 路上傳至計(jì)算機(jī)。程序下載接口連接至單片機(jī)Ul的第13、14腳，用于單片機(jī)的程序下載。[0050]無線接收模塊的接口電路如圖14所示，主要包括瞬態(tài)抑制二極管TVSl、USB接口 Jlo瞬態(tài)抑制二極管TVSl連接USB接口 Jl和單片機(jī)U7的第8、9腳，對數(shù)據(jù)通訊起到靜電 保護(hù)作用，USB接口 Jl與計(jì)算機(jī)相連接。[0051]無線接收模塊的供電電路如圖15所示，主要包括穩(wěn)壓芯片U8，+5V電壓連接穩(wěn)壓 芯片U8的第1、3腳，經(jīng)其穩(wěn)壓后從第5腳輸出+3. 3V電壓。[0052]上述光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器的實(shí)驗(yàn)過程如下所述[0053]實(shí)驗(yàn)時(shí)，將光電計(jì)時(shí)測距小車放置在軌道的任一位置，無線接收模塊接入計(jì)算機(jī)， 單擊按下電源開關(guān)3，開啟電源。輕按小車上的調(diào)零按鍵4，則小車此時(shí)所處的位置即為位 移測量的零點(diǎn)。小車移動(dòng)，前輪即帶動(dòng)盤式擋光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。小車信號(hào)采集電路獲得光電門讀 取的“透光、擋光”信號(hào)后，由信號(hào)處理電路中的單片機(jī)U2進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，隨后將信號(hào)通過從無線發(fā)射電路中的藍(lán)牙串口模塊Ul發(fā)送出去。[0054]無線接收模塊的主藍(lán)牙串口模塊U6接收到小車信號(hào)后，由數(shù)據(jù)解析電路中的單 片機(jī)Ul進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并通過USB 口將解析數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)。[0055]計(jì)算機(jī)將依據(jù)所獲得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示小車當(dāng)前位置與零點(diǎn)之間的距離，并可根據(jù)距 離變化所經(jīng)歷的時(shí)間，并可描繪出“位移-時(shí)間”圖線，計(jì)算得出小車運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此還可以帶入公式，進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)分析處理。[0056]本實(shí)驗(yàn)器的測量和計(jì)算結(jié)果均通過計(jì)算機(jī)軟件顯示，并可通過人機(jī)交互進(jìn)行原始 測量結(jié)果的處理和應(yīng)用。計(jì)算機(jī)軟件采用VC++開發(fā),安裝運(yùn)行于WindowsXP、Windows7等 主流操作系統(tǒng)上，內(nèi)置公式庫和算法庫，可對時(shí)間和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，支持中 學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的需求。[0057]本光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器可同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)，即無線接收模塊可以對應(yīng)多個(gè)小車 的無線發(fā)射源，因而能夠在實(shí)驗(yàn)中支持兩輛小車并行使用，實(shí)時(shí)獲取兩輛小車的“位移-時(shí) 間”數(shù)據(jù)，并可依據(jù)所獲的數(shù)據(jù)，計(jì)算兩輛小車碰撞前后的速度一時(shí)間數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了以往實(shí) 驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域兩車碰撞實(shí)驗(yàn)中不能實(shí)時(shí)測量兩車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白。
權(quán)利要求1.一種光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，包括光電計(jì)時(shí)測距小車、軌道、無線接收模塊和計(jì)算機(jī)， 其特征是光電計(jì)時(shí)測距小車放置在軌道上，軌道上設(shè)有中縫，光電計(jì)時(shí)測距小車的前輪放置在該中縫中，光電計(jì)時(shí)測距小車與無線接收模塊采用無線方式通訊，無線接收模塊與計(jì)算機(jī)相連；光電計(jì)時(shí)測距小車包括車體、供電電路、計(jì)時(shí)電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路和無線發(fā)射電路，各個(gè)電路均內(nèi)置在車體中，車體上設(shè)置有起始點(diǎn)調(diào)零按鍵和電源開關(guān)，起始點(diǎn)調(diào)零按鍵與信號(hào)處理電路連接，車體的前端設(shè)置有磁鐵，后端設(shè)有連接帶，車體下方安裝前輪和后輪，其中前輪與信號(hào)采集電路中的盤式擋光柵同軸安裝在一起；供電電路與其它各電路連接，信號(hào)采集電路連接信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路與無線發(fā)射電路相連接；無線接收模塊包括無線接收電路、數(shù)據(jù)解析電路、接口電路和供電電路，無線接收電路與數(shù)據(jù)解析電路連接，數(shù)據(jù)解析電路與接口電路連接，無線接收電路、數(shù)據(jù)解析電路和接口電路均與無線接收器的供電電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，其特征是所述光電計(jì)時(shí)測距小車的信號(hào)米集電路包括光學(xué)門和盤式擋光柵，盤式擋光柵與前輪同軸安裝，光電門固定在車體上，光電門的發(fā)射管和接收管分別處于盤式擋光柵兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，其特征是所述光電計(jì)時(shí)測距小車的信號(hào)處理電路采用單片機(jī)U2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，其特征是所述光電計(jì)時(shí)測距小車的無線發(fā)射電路包括從藍(lán)牙串口模塊Ul和配對指示燈D2，兩者均與信號(hào)處理電路連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，其特征是所述無線接收模塊的無線接收電路包括主藍(lán)牙串口模塊U6和藍(lán)牙配對指示燈D3，主藍(lán)牙串口模塊U6用于接收與之配對的從藍(lán)牙串口模塊發(fā)射的電磁波，并將其內(nèi)部數(shù)據(jù)信息解析出來，通過串口接口發(fā)送給數(shù)據(jù)解析電路，藍(lán)牙配對指示燈D3的指示狀態(tài)用于指示主藍(lán)牙串口模塊是否與從藍(lán)牙串口模塊配對成功。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，其特征是所述無線接收模塊的數(shù)據(jù)解析電路包括單片機(jī)U7和程序下載接口 J2，單片機(jī)U7用于接收主藍(lán)牙串口模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，再通過USB接口電路上傳至計(jì)算機(jī)，程序下載接口連接至單片機(jī) U7，用于單片機(jī)的程序下載。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，其特征是所述無線接收模塊的接口電路包括瞬態(tài)抑制二極管TVSl和USB接口 Jl，瞬態(tài)抑制二極管TVSl連接USB接口 Jl和數(shù)據(jù)解析電路中單片機(jī)U7的管腳，對數(shù)據(jù)通訊起到靜電保護(hù)作用，USB接口 Jl連接計(jì)算機(jī)。
專利摘要一種光電計(jì)時(shí)測距實(shí)驗(yàn)器，包括光電計(jì)時(shí)測距小車、軌道、無線接收模塊和計(jì)算機(jī)，光電計(jì)時(shí)測距小車放置在軌道上，軌道上設(shè)有中縫，光電計(jì)時(shí)測距小車的前輪放置在該中縫中，光電計(jì)時(shí)測距小車與無線接收模塊采用無線方式通訊，無線接收模塊與計(jì)算機(jī)相連。該實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單，實(shí)驗(yàn)操作方便，穩(wěn)定性好，精度高，將作為被測對象的小車改變?yōu)榫哂凶灾鳒y量功能的智能裝置，可測量自身的位移和時(shí)間，并通過無線方式發(fā)送至計(jì)算機(jī)，能夠完成中學(xué)物理涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)的所有實(shí)驗(yàn)，可同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)，支持多輛小車并行使用，同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)，并可依據(jù)所獲的數(shù)據(jù)，計(jì)算多輛小車碰撞前后的速度—時(shí)間數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G09B23/06GK202838752SQ20122055243
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者馮容士, 李鼎, 趙進(jìn) 申請人:山東省遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體股份有限公司