二維平拋實驗儀的制作方法
【專利說明】
[0001][技術(shù)領(lǐng)域]平拋運(yùn)動實驗儀是中學(xué)物理課中的實驗儀器，它測量出小球自始發(fā)點(diǎn)到終落點(diǎn)或者得到垂直水平兩球相撞點(diǎn)的的時間值然后通過計算來證明"平拋運(yùn)動是水平方向上的直線勻速運(yùn)動和豎直方向上的自由落體運(yùn)動的合成"這一結(jié)論。
[0002][【背景技術(shù)】]本發(fā)明的目的在于推出一種配有新式二維傳感系統(tǒng)的二維平拋實驗儀，它在實驗時能夠把鋼珠運(yùn)動的平拋運(yùn)動特性曲線即時地顯示在儀器的平板上，讓學(xué)生直接看到這條平拋運(yùn)動曲線。并且通過計算可以證明它符合平拋運(yùn)動的物理計算公式，并且這條鋼球運(yùn)動所得到的曲線能被儲存紀(jì)錄下來，以供作為實驗文檔之用，它可重復(fù)顯示和打印。
[0003]現(xiàn)有的平拋運(yùn)動實驗儀(如專利號為:201110091662.0)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鋼球運(yùn)動的始發(fā)點(diǎn)和終落點(diǎn)，還需要用一個垂直下落的第二鋼球參與實驗，讓它在與第一鋼球在空中相撞，在獲得這三個點(diǎn)的時候，通過測量鋼球的始發(fā)、相撞、落點(diǎn)的時間，距離，再用計算方法來證明鋼球運(yùn)動性質(zhì)符合平拋運(yùn)動的規(guī)律。但這種實驗儀器不能給出可即時顯示給學(xué)生看到的小球運(yùn)動的完整平拋運(yùn)動的軌跡曲線。如果一定要獲得平拋運(yùn)動曲線，只能通過很多次地改變可上下移動的X橫坐標(biāo)的不同高度，來獲得很多落點(diǎn)的辦法，將這許許多多點(diǎn)連接成線的辦法，費(fèi)時、費(fèi)力。
[0004][
【發(fā)明內(nèi)容】
]1，一種二維平拋實驗儀，它由機(jī)械部分結(jié)構(gòu)和電子電路兩大部分構(gòu)成，機(jī)械部分包含有垂直直立的主體支撐板，水平布置的底座，位于主體支撐板頂端一角嶼位置上的滑動導(dǎo)軌，滑動導(dǎo)軌上固定有一電磁鐵，它用于吸住或釋放鋼質(zhì)小球，其特征是:
[0005]機(jī)械部分:在主體支撐板的左側(cè)邊沿和右側(cè)邊沿上固定有面面相對的兩條豎直布置的紅外發(fā)射條形板，和紅外接收條形板；而在主體支撐板的頂端邊沿和底端邊沿分別設(shè)置有水平布置的紅外發(fā)射條形板和紅外接收條形板，它們構(gòu)成一個由垂直正交的紅外射線交織而成的紅外射線坐標(biāo)，即構(gòu)成二維傳感器的傳感區(qū)域；在水平布置的底座上設(shè)有為電磁鐵供電用的紅黑香蕉插孔、5v電源插孔、電源開關(guān)。
[0006]其電子電路:包含有，居核心部位的單片機(jī)，其周邊電路有外接電源、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、存儲模塊、和電腦軟件。
[0007]2，所說的縱、橫向紅外發(fā)射模塊就是兩塊紅外發(fā)射板，這兩塊條形板上的電路布置是一樣的，第一塊是豎直布置的紅外發(fā)射條形板，其上有7塊級聯(lián)芯片74HC595和54個紅外發(fā)射管電路和4塊74HC14信號整形芯片；而第二塊是水平布置的紅外發(fā)射條形板，其上共有5塊級聯(lián)芯片74HC595芯片和4塊74HC14信號整形芯片，以及還有40個紅外發(fā)射管電路。
[0008]3，所述的縱、橫向紅外接收模塊就是兩塊紅外接收板，這兩塊條形板上的電路布置是一樣的，第一塊是豎直布置的紅外接收條形板，其上有7塊級聯(lián)芯片74HC595和54個紅外接收管電路和3塊74HC14信號整形芯片；而第二塊是橫向水平布置的紅外接收條形板，其上共有5塊級聯(lián)芯片74HC595芯片和3塊74HC14信號整形芯片，以及還有40個紅外接收管電路。
[0009]4,在由垂直直立的主體支撐板、水平布置的底座所構(gòu)成的儀器的主體外有一個外掛的用于電氣連接的主控板盒體。
[0010]5，所述的電氣連接的盒體它是一個外掛的方形的盒體，其內(nèi)包含有控制整個系統(tǒng)運(yùn)行的單片機(jī)芯片，電源輸入接口，電源電路，型號為AT24C02的存儲模塊，與電腦通訊用的USB接口，與兩塊紅外發(fā)射管條形板通訊用的兩個接口和，與兩塊紅外接收管條形板通訊用的兩個接口和。
[0011]6，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，型號是AS1117-3.3v。
[0012]7，所說的單片機(jī)是C8051F380芯片。
[0013]8，所說的信號整形電路的74HC14芯片是非門電路。
[0014]9，所說的外接的主控板上的接口有P1、P2、和P3、P4四個，其中主控板的接口 Pl和P2是與編號為28的紅外接收板的接口 P67、P65相對接；而主控板的接口 P3、P4則與編號為38的紅外發(fā)射板的接口 P67、P68相對接。28紅外接收板的接口 P68是與編號為38的紅外接收板的接口 P65相對接；編號為38的紅外發(fā)射板的接口 P66是與編號為28的紅外發(fā)射板的接口 P67相對接。
[0015]10，所說的外接的主控板盒其內(nèi)包含有電源輸入接口，電源電路，型號為AT24C02的存儲模塊，與電腦通訊用的USB接口，與兩塊紅外發(fā)射管條形板通訊用的兩個接口，和與兩塊紅外接收管條形板通訊用的兩個接口，和控制整個系統(tǒng)運(yùn)行的單片機(jī)芯片。
[0016]11，所說的儀器主體底座上設(shè)有四個水平調(diào)節(jié)旋鈕和一個水平儀，用于調(diào)節(jié)底座的水平度。
[【附圖說明】]
[0017]圖1為本發(fā)明實施例的電路的系統(tǒng)框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)的外接電源接口。
[0019]圖3為本發(fā)明實施例的DC-DC電源電路。
[0020]圖4為本發(fā)明實施例的單片機(jī)的引腳定義圖。
[0021]圖5為本發(fā)明實施例的單片機(jī)晶振電路。
[0022]圖6為本發(fā)明實施例的單片機(jī)燒錄接口。
[0023]圖7為本發(fā)明實施例的存儲模塊電路圖。
[0024]圖8為本發(fā)明實施例主控板與兩個紅外發(fā)射板的2個連接接口。
[0025]圖9為本發(fā)明實施例主控板與兩個紅外接收板的2個連接接口。
[0026]圖10為本發(fā)明實施例中的紅外發(fā)射板的左側(cè)、上側(cè)入口接口。
[0027]圖11為本發(fā)明實施例中紅外發(fā)射管的紅外線發(fā)射電路。
[0028]圖12為本發(fā)明實施例中具有信號整形功能的74HC14芯片。
[0029]圖13為本發(fā)明實施例紅外發(fā)射板左側(cè)、上側(cè)級聯(lián)接口，用于連接下一塊板子上的相應(yīng)接口。
[0030]圖14為本發(fā)明實施例的紅外接收板下側(cè)、右側(cè)入口接口。
[0031]圖15為本發(fā)明實施例的紅外接收管紅外信號接收電路。
[0032]圖16為本發(fā)明實施例級聯(lián)芯片74HC595數(shù)據(jù)輸出信號.引腳圖。
[0033]圖17為本發(fā)明實施例紅外接收板整形電路。
[0034]圖18為本發(fā)明實施例紅外接收板下側(cè)級聯(lián)接口和右側(cè)級聯(lián)接口。
[0035]圖19為本發(fā)明實施例主控板連接電腦接口。
[0036]圖20為本發(fā)明實施例主控板與儀器主體上的電路的接口連接圖。
[0037]圖21為本發(fā)明實施例的機(jī)械立體圖。
[0038]圖22為本發(fā)明實施例的機(jī)械圖的后視立體圖。
[【具體實施方式】]
[0039]本發(fā)明的二維平拋實驗儀包括機(jī)械和電子兩部分組成。整體支架外還有一個外接的盒體。本發(fā)明的電子電路布置如下:電路的中央核心部分是單片機(jī)，它的型號是C8051F380,周邊電路有DC-DC電源電路，存儲模塊，橫向紅外發(fā)射電路模塊，橫向紅外接收模塊，縱向紅外發(fā)射模塊，縱向紅外接收模塊。這種由縱向紅外發(fā)射和接收模塊構(gòu)成垂直的Y軸坐標(biāo)由橫向紅外發(fā)射電路模塊和接收模塊構(gòu)成的水平X軸坐標(biāo)所形成的電子傳感坐標(biāo)系就是本發(fā)明的主要特點(diǎn)。這一電子傳感坐標(biāo)系構(gòu)成的主要內(nèi)容在于電子電路的結(jié)構(gòu)。下面先介紹電子電路部分，機(jī)械部分居后介紹。
[0040]圖1為二維平拋實驗儀電路的系統(tǒng)框圖:它包含有居核心部位的單片機(jī)芯片4，其周邊電路有外接電源1、電源電路2、橫向紅外接收模塊5、縱向紅外接收模塊7、縱向紅外發(fā)射模塊9、橫向紅外發(fā)射模塊8、存儲模塊6、和電腦軟件3。
[0041]圖2為圖1電路系統(tǒng)總圖與外接電源相連接的電源連接口 10，外接直流的5v電源是用來為二維平拋實驗儀提供電源的。
[0042]圖3為DC-DC電源電路:此電路的功能是把外接電源的直流5v電源轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)4供電的3.3v直流電源。Dl芯片11的型號是ASl117-3.3v是DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，它把5v的直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3v的直流電壓。
[0043]圖4為單片機(jī)4的引腳定義圖。
[0044]單片機(jī)引腳定義如下:
[0045]SCL，SDA:存儲芯片控制信號。
[0046]595EN, C_595EN:74HC595 芯片片選信號。
[0047]SFT_CLK, C_SFT_CLK:74HC595 芯片移位時鐘信號。
[0048]LCH_CLK, C_LCH_CLK:74HC595 芯片信號輸出時鐘信號。
[0049]DAT, C_DAT