電子單擺演示裝置的制造方法
【專利說明】
[0001][技術(shù)領(lǐng)域]單擺演示裝置是中學(xué)物理課程中的實(shí)驗(yàn)儀器，它測量出擺球在單擺運(yùn)動(dòng)過程中的周期來計(jì)算重力加速度g，并研究單擺運(yùn)動(dòng)擺長與振動(dòng)周期間的關(guān)系。用一根絕對(duì)撓性且長度不變、質(zhì)量可忽略不計(jì)的線懸掛一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，在重力作用下在鉛垂平面內(nèi)作周期運(yùn)動(dòng)，就成為單擺。單擺在擺角小于5° (現(xiàn)在一般認(rèn)為是小于10° )的條件下振動(dòng)時(shí)，可近似認(rèn)為是簡諧運(yùn)動(dòng)。單擺運(yùn)動(dòng)的周期公式:Τ=2π V (L/g).其中L指擺長，g是當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?br>[0002][【背景技術(shù)】]現(xiàn)有的單擺演示實(shí)驗(yàn)儀，其構(gòu)造大體上與本發(fā)明有點(diǎn)相近，但是它是一種需要用傳感器測出擺球運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間，而且在測量過程中還要記錄擺球擺動(dòng)時(shí)的角度，而且無法記錄擺球運(yùn)動(dòng)的曲線軌跡，在改變擺長的時(shí)候還要改變角度盤的位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
[0003]采用這種傳統(tǒng)的儀器來測量時(shí)，不夠形象和直觀，它不能即時(shí)即刻地把真實(shí)的單擺運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過的運(yùn)動(dòng)曲線的軌跡記錄并顯示給學(xué)生看，人們只能夠看到單擺的運(yùn)動(dòng)，而看不到擺的運(yùn)動(dòng)軌跡，也無法把實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)曲線記錄、保存下來，并在必要的時(shí)候被打印出來。
[0004]本發(fā)明的目的在于推出一種配有新式二維紅外傳感系統(tǒng)的二維單擺演示裝置，它在實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠把單擺擺球的運(yùn)動(dòng)特性曲線即時(shí)地顯示在儀器的直立平板上，讓學(xué)生直接看到這條單擺運(yùn)動(dòng)曲線。并且通過曲線可以探究擺球單擺運(yùn)動(dòng)過程中擺長與周期間的關(guān)系，以及能計(jì)算出重力加速度g，并且這條擺球運(yùn)動(dòng)所得到的曲線能被紀(jì)錄、儲(chǔ)存下來，以供作為實(shí)驗(yàn)文檔之用，它可重復(fù)顯示和打印。并且，通過計(jì)算機(jī)的輔助計(jì)算，可以向?qū)W生證明，這條曲線符合對(duì)單擺運(yùn)動(dòng)所做出的數(shù)學(xué)、物理定義。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]1，一種電子單擺演示裝置，它包括有一個(gè)直立的擺架、一個(gè)懸掛在擺架上的擺球、一根做實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)伸長的擺線和一個(gè)擺線懸掛固定裝置，其特征是:所述的擺架包含有上紅外發(fā)射直條框架、下紅外接收直條框架、左紅外發(fā)射直條框架和右紅外接收直條框架，并由這四條電子直條框架圍攏固定形成，所述的電子圍框的上直條框架上設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)擺線長短的滑輪機(jī)構(gòu)；在所述圍框下部的下直條框架上設(shè)有一個(gè)用以確定擺線擺角的弧線刻度盤，所述的電子電路部分包括主控板上的單片機(jī)、其周邊的外接電源、電源電路、橫向紅外接收模塊、縱向紅外接收模塊、縱向紅外發(fā)射模塊、橫向紅外發(fā)射模塊、儲(chǔ)存模塊、以及電腦軟件和各電路接插口。
[0006]2，所述的紅外發(fā)射模塊包含有紅外發(fā)射直條框架共兩塊，這兩塊直條框架上的電路布置形態(tài)是一樣的，第一塊是豎直布置的紅外發(fā)射管左直條框架49，其上有7塊級(jí)聯(lián)芯片74HC595芯片和54個(gè)紅外發(fā)射管電路和4塊74HC14數(shù)字信號(hào)整形芯片；而第二塊是水平布置的紅外發(fā)射管上直條框架50，其上共有5塊級(jí)聯(lián)芯片74HC595芯片和4塊74HC14數(shù)字信號(hào)整形芯片，以及還有40個(gè)紅外發(fā)射管電路。
[0007]3，所述的紅外接收模塊包含有紅外接收直條框架共兩塊，這兩塊直條框架上的電路布置形態(tài)是一樣的，第一塊是豎直布置的紅外接收管右直條框架，其上有7塊級(jí)聯(lián)芯片74HC595和54個(gè)紅外接收管電路和3塊74HC14數(shù)字信號(hào)整形芯片；而第二塊是橫向水平布置的紅外接收管下直條框架，其上共有5塊級(jí)聯(lián)芯片74HC595和3塊74HC14數(shù)字信號(hào)整形芯片，以及還有40個(gè)紅外接收管電路。
[0008]4，所述的電氣連接的盒體它是一個(gè)外掛的方形的盒體，其內(nèi)包含有控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的主控板上的單片機(jī)芯片，電源輸入接口，電源電路，存儲(chǔ)模塊，與電腦通訊用的USB接口，與兩塊紅外發(fā)射管直條框架通訊用的兩個(gè)接口，和與兩塊紅外接收管直條框架通訊用的兩個(gè)接口。
[0009]5，所說的電源電路是直流電壓轉(zhuǎn)換電路，Dl芯片是DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，它是把5v的直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3v的直流電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，型號(hào)是AS1117-3.3v。
[0010]6，所說的單片機(jī)的型號(hào)是C8051F380芯片。
[0011]7，所述的各電路之間的接插口包含有以下一些:
[0012]紅外發(fā)射管左側(cè)入口 P3,紅外發(fā)射管上側(cè)入口 P4,
[0013]紅外接收管右側(cè)入口 Pl，紅外接收管下側(cè)入口 P2 ；
[0014]紅外發(fā)射管左側(cè)入口 P67，紅外發(fā)射管上側(cè)入口 P68，
[0015]紅外發(fā)射管左側(cè)級(jí)聯(lián)接口 P65，紅外發(fā)射管上側(cè)級(jí)聯(lián)接口 P66 ；
[0016]紅外接收管下側(cè)入口 P65，紅外接收管右側(cè)入口 P67 ；
[0017]紅外接收管下側(cè)級(jí)聯(lián)接口 P66，紅外接收管右側(cè)級(jí)聯(lián)接口 P68。
[0018]8，所述的擺架是一個(gè)由上、下、左、右四條成為電子圍框的直條框架通過四個(gè)角件裝配固定而成，它是一個(gè)四方直立的由紅外線形成的二維紅外坐標(biāo)平面。
[0019]9，所述的電子圍框的上直條框架上設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)擺線長短的擺線滑輪機(jī)構(gòu)，它包含有擺線滑輪、螺桿軸、緊固彈簧、調(diào)節(jié)螺母、位于上直條框架中央位置的一個(gè)擺線控制器和用于固定調(diào)節(jié)螺桿的凸臺(tái)。
[0020]10，所述的用于連接固定四根直條框架形成一個(gè)直立四方二維紅外坐標(biāo)平面的四個(gè)角件中位于底下的兩個(gè)比位于上面的兩個(gè)要來得大而重。
[0021]本發(fā)明提供一種電子單擺演示裝置，它包括有一個(gè)直立的擺架，擺架又包含一個(gè)由上、下、左、右四條電子圍框通過四個(gè)角件裝配固定而成的一個(gè)四方直立的由縱橫交錯(cuò)的紅外線形成的二維紅外坐標(biāo)。所述的電子圍框的上直條框架上設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)擺線長短的滑輪機(jī)構(gòu)。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，被懸掛著的擺球就在這個(gè)二維紅外坐標(biāo)的范圍內(nèi)作來回往復(fù)的單擺運(yùn)動(dòng)。所述的擺架上的電路包括有兩個(gè)紅外發(fā)射模塊，它們是左紅外發(fā)射模塊和上紅外發(fā)射模塊；電路還包括兩個(gè)紅外接收模塊，它們是右紅外接收模塊和下紅外接收模塊。在所說的兩塊紅外發(fā)射模塊的直條框架上固定有間隔均勻的紅外線發(fā)射管；而在所述的兩塊紅外接收模塊的直條框架上固定有間隔均勻的紅外線接收管。所述的上、下、左、右四條直條框架的長短尺寸決定了所述二維紅外坐標(biāo)的面積和長寬比例。
[0022]在所述的擺架的上直條框架上固定有擺線滑輪機(jī)構(gòu)，所述的擺線滑輪機(jī)構(gòu)又包含有位于上直條框架中央位置的一個(gè)擺線控制器，在位于上直條框架邊上的位置上固定有一個(gè)繞線滑輪。在上直條框架中空內(nèi)腔的里側(cè)壁面上設(shè)有一塊向內(nèi)凸起的厚肉平臺(tái)，該平臺(tái)供繞線滑輪的螺桿軸固定之用。在所說的上直條框架的一個(gè)側(cè)立面上固定有與立面相互垂直的一根螺桿軸，在安裝滑輪時(shí)，在此螺桿軸上先套入所述的繞線滑輪，然后再同軸套入一個(gè)緊固彈簧，最后再套入一個(gè)調(diào)節(jié)螺母。繞線滑輪與上直條框架的立面之間是呈相互面面貼合又維持可轉(zhuǎn)動(dòng)的緊貼摩擦狀態(tài)。所述的繞線滑輪與上直條框架之間的貼緊程度，也就是兩者之間的摩擦程度是由所述的調(diào)節(jié)螺母決定的。調(diào)節(jié)螺母旋緊時(shí)彈簧對(duì)滑輪的正壓力增大，滑輪對(duì)上框的緊貼度也增大，相互之間的摩擦力就加大；反之，摩擦力就小。調(diào)節(jié)的作用是為擺線的尺寸定長。
[0023]在滑輪上纏繞擺線后，擺線先是通過繞線滑輪沿水平方向放出，然后橫向引伸到所述上直條框架居中位置上固定的擺線控制器下垂。所述的擺線控制器是一個(gè)臺(tái)階形的中空柱體，它被緊定在上直條框架正中位置的水平頂面上，它有一個(gè)水平孔和一個(gè)垂直孔，此兩孔是相互連通的，此兩孔就是供擺線通過之用。
[0024]所述的擺架四個(gè)角件中位于底下的兩個(gè)，其尺寸和重量明顯要比居上的兩個(gè)來的大而重，所以，整個(gè)電子圍框的重心是偏下的。這就保證了整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性。
[0025]在所述擺架的下直條框架的居中位置上固定有一個(gè)弧線刻度表。所述弧線刻度表的刻度線的位置與所述擺球的擺動(dòng)是同心的。在靜止?fàn)顟B(tài)下，自擺線控制器下垂的擺線是與重垂線重合的。
[0026]擺球和擺線在運(yùn)動(dòng)過程中不斷切割和阻斷二維紅外坐標(biāo)里的紅外光射線，這就不斷產(chǎn)生電子信息。這些數(shù)字信息通過電子電路和計(jì)算機(jī)軟件的作用就可以在計(jì)算機(jī)顯示屏上把擺球在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡的即時(shí)信息顯示出來，計(jì)算機(jī)還可以把符合單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律的簡諧運(yùn)動(dòng)的正弦波曲線也顯示出來。因?yàn)閱螖[的周期是與擺線的長度成正比，不同的擺長，其振蕩的周期和頻率是不同的，顯示出來的簡諧運(yùn)動(dòng)的正弦波曲線也是不相同的。
[【附圖說明】]
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電路的系統(tǒng)框圖。
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的外接電源接口。
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的DC-DC電源電路。
[0030]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的單片機(jī)的引腳定義圖。
[0031]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的單片機(jī)晶振電路。
[0032]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的單片機(jī)燒錄接口。
[0033]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)模塊電路圖。
[0034]圖8為本發(fā)明實(shí)施例主控板與兩個(gè)紅外發(fā)射板的2個(gè)連接接口。
[0035]圖9為本發(fā)明實(shí)施例主控板與兩個(gè)紅外接收板的2個(gè)連接接口。
[0036]圖10為本發(fā)明實(shí)施例中的紅外發(fā)射板的左側(cè)、上側(cè)入口接口。
[0037]圖11為本發(fā)明實(shí)施例中紅外發(fā)射管的紅外線發(fā)射電路。
[0038]圖12為本發(fā)明實(shí)施例中具有數(shù)字信號(hào)整形功能的74HC14數(shù)字信號(hào)整形芯片。
[0039]圖13為本發(fā)明實(shí)施例的紅外發(fā)射板左側(cè)、上側(cè)級(jí)聯(lián)接口。
[0040]圖14為本發(fā)明實(shí)施例的紅外接收板下側(cè)、右側(cè)入口接口。
[0041]圖15為本發(fā)明實(shí)施例的紅外接收管紅外數(shù)字信號(hào)接收電路。
[0042]圖16為本發(fā)明實(shí)施例級(jí)聯(lián)芯片74HC595數(shù)據(jù)輸出信號(hào).引腳圖。
[0043]圖17為本發(fā)明實(shí)施例紅外接收板整形電路。
[0044]圖18為本發(fā)明實(shí)施例紅外接收板下側(cè)級(jí)聯(lián)