專利名稱:穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)動(dòng)的同步觀察裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種觀察穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)動(dòng)的裝置,具體地說,是涉及一種同步的脈沖閃光裝置,屬于特殊用途的照明光源技術(shù)領(lǐng)域。
人們常常需要用肉眼觀察周期運(yùn)動(dòng)物體上的某一部分,以了解這一部分的狀態(tài)或變化。但對(duì)一運(yùn)動(dòng)著的物體,人們看到的只是模糊的一片,很難看清楚,當(dāng)周期運(yùn)動(dòng)處于不那么穩(wěn)定時(shí),更難看清楚。在過去一直沒有一個(gè)很好的辦法或有一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置來解決這一問題。
本實(shí)用新型提出了一個(gè)解決這一問題的方案。將需觀察的周期運(yùn)動(dòng)物體的環(huán)境亮度降低,使人們?cè)谶@個(gè)環(huán)境亮度下看不清楚這一物體,然后用一脈沖光源對(duì)其照明,每當(dāng)周期運(yùn)動(dòng)物體上需觀察部位經(jīng)過人們的觀察位置時(shí),讓脈沖光源對(duì)其照亮一次,人們就看見了需觀察部位的景像,當(dāng)這一被觀察部位多次被照亮并被人眼看見時(shí),由于人眼的視覺暫留效應(yīng),其結(jié)果就是看見一個(gè)近似靜止的景像,這樣就能看清楚這個(gè)周期運(yùn)動(dòng)物體上的這一部位。本實(shí)用新型提出的這一觀察裝置,用氙氣閃光管作脈沖光源,并設(shè)計(jì)了多路脈沖光源,用單片機(jī)(MCU)作同步觸發(fā)和脈沖分配器,不但能用于一般場(chǎng)合,還能用于運(yùn)動(dòng)周期較快的場(chǎng)合。
以下結(jié)合附圖來詳細(xì)說明實(shí)施這一方案的具體電路和工作過程。
圖1是本實(shí)用新型的電氣原理圖。
圖2是本實(shí)用新型觀察旋轉(zhuǎn)物體的示意圖。
圖3是本實(shí)用新型中單片機(jī)工作程序的流程圖。
圖1給出了本實(shí)用新型的電氣原理圖,裝置的主體是相同的幾路由氙氣閃光管構(gòu)成的脈沖光源,其次是由單片機(jī)構(gòu)成的同步觸發(fā)和脈沖分配器,根據(jù)需觀察的周期運(yùn)動(dòng)的快慢,這相同的幾路脈沖光源可以取1路、2路、3路或4路,慢時(shí)少取,快時(shí)多取,并稱作單路閃光、2路閃光、3路閃光或4路閃光。圖中畫了4路,依次標(biāo)示為11、12、13和14。
具體電路是這樣的交流220V電源經(jīng)變壓器16隔離和變壓,分出幾路來,其中的一路15經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓器17穩(wěn)壓后作本裝置的工作電源;另外相同的幾路11、12、13和14,先經(jīng)整流變成300V左右的直流電源,再接到儲(chǔ)能電容器21、22、23和24的正極端,然后再接到氙氣閃光管31、32、33和34的一端;直流電源還通過充電電阻41、42、43和44后分別引至觸發(fā)電容器51、52、53和54的一端,觸發(fā)電容器的另一端接觸發(fā)變壓器61、62、63和64的初級(jí),觸發(fā)變壓器的次級(jí)輸出幾千伏特的高電壓,分別加于氙氣閃光管31、32、33和34;由單片機(jī)18構(gòu)成同步觸發(fā)和脈沖分配器,單片機(jī)18的輸入端上除接有晶體振蕩器、復(fù)位電路等工作所必需的器件外,在幾個(gè)輸入端上接有工作狀態(tài)設(shè)置開關(guān)81、82和83,在另一個(gè)輸入端上接有同步開關(guān)19;這個(gè)同步開關(guān)19,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要,可以是行程開關(guān),也可以是接近開關(guān)、光電開關(guān)、霍爾開關(guān)等,運(yùn)動(dòng)慢時(shí)可以用行程開關(guān),運(yùn)動(dòng)快時(shí)而且又不能接觸時(shí)可以選用接近開關(guān)或霍爾開關(guān),同步開關(guān)19離需觀察部位必須離得較遠(yuǎn)時(shí)可以用光電開關(guān),當(dāng)然這些情況也可以選用能起同樣作用的其他各種開關(guān);單片機(jī)18的幾個(gè)輸出端分別接有光電驅(qū)動(dòng)器71、72、73和74,光電驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量和脈沖光源以及閃光管的數(shù)量相同,光電驅(qū)動(dòng)器的控制端的上端通過限流電阻接工作電源,而控制端的下端接單片機(jī)的輸出端,內(nèi)部是一個(gè)發(fā)光二極管;光電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)端是光控型電子開關(guān),電子開關(guān)的一端分別接觸發(fā)電容器51、52、53和54的一端,另一端接直流電源的公共端,從而使電子開關(guān)、觸發(fā)電容器、觸發(fā)變壓器初級(jí)線圈形成一個(gè)放電回路;單片機(jī)內(nèi)部固化有單路、2路、3路和4路閃光的工作程序,以及連續(xù)閃光和間隔閃光的工作程序,需使用哪種工作程序由單片機(jī)上的工作狀態(tài)設(shè)置開關(guān)81、82和83來決定。
本裝置的工作過程是這樣的當(dāng)接通交流220V電源時(shí),變壓器16次級(jí)輸出相應(yīng)的電壓,單片機(jī)18經(jīng)上電復(fù)位后開始工作,幾路脈沖電源也得電,經(jīng)整流后變成300V左右的直流電源對(duì)儲(chǔ)能電容器21、22、23和24充電,這時(shí)氙氣閃光管31、32、33和34兩端也就被加上了這個(gè)300V左右的直流電源,同時(shí),直流電源還對(duì)觸發(fā)電容器51、52、53和54充電。這時(shí),如果單片機(jī)的同步開關(guān)19接通,則在單片機(jī)的這個(gè)輸入端上形成一個(gè)低電平的控制信號(hào),單片機(jī)接到這個(gè)低電平的控制信號(hào)后,啟動(dòng)工作程序,一般這段工作程序只用幾十微秒或百多微秒就能運(yùn)行完畢并在某個(gè)輸出端輸出一個(gè)低電平的觸發(fā)脈沖,則接於其上的光電驅(qū)動(dòng)器中的發(fā)光二極管將發(fā)光,并使驅(qū)動(dòng)端的光電開關(guān)導(dǎo)通,觸發(fā)電容器通過導(dǎo)通的光電開關(guān)放電,形成脈沖電流流過觸發(fā)變壓器的初級(jí),從而在觸發(fā)變壓器次級(jí)感應(yīng)出幾千伏特的觸發(fā)脈沖并加於閃光管上,這個(gè)閃光管就會(huì)被觸發(fā)放電而發(fā)出短暫的閃光。閃光時(shí)儲(chǔ)能電容器迅速放電,電壓降低,以致很快就不能維持閃光管發(fā)光,此次閃光就停止。之后,直流電源再次向儲(chǔ)能電容器和觸發(fā)電容器充電,等待下次閃光。
閃光管放電發(fā)光的時(shí)間很短,一般只有幾個(gè)毫秒到幾十個(gè)毫秒,它由儲(chǔ)能電容器的電容量和電路的阻抗決定tD=R1C/2式中tD閃光時(shí)間,微秒(μS);R1放電回路的阻抗值,歐姆(Ω);C 儲(chǔ)能電容器的電容量;微法拉(μF)。
例如儲(chǔ)能電容器的電容量為300μF,放電回路的阻抗為20Ω,則閃光時(shí)間tD為3000μS。這個(gè)tD為有效閃光時(shí)間,實(shí)際上從閃光開始到閃光完全結(jié)束,比這個(gè)時(shí)間要長(zhǎng)一些。
閃光管放電之后,需要有一段恢復(fù)時(shí)間,而儲(chǔ)能電容器也需要一段時(shí)間進(jìn)行充電,因而不能馬上再次閃光,通常儲(chǔ)能電容器的充電需要較長(zhǎng)的時(shí)間,它由下式?jīng)Q定tR=3R2C式中tR充電時(shí)間,秒(S);R2充電回路的阻抗值,歐姆(Ω);C 儲(chǔ)能電容器的電容值,法拉(F)。
充電回路的阻抗通常較大,它包括變壓器感抗,變壓器線圈的直流電阻,整流管的動(dòng)態(tài)電阻等,一般可達(dá)500Ω左右,這樣
tR=3×500×300×10-6=45×10-2=0.45S閃光管每工作一次所需的時(shí)間間隔為閃光時(shí)間tD和充電時(shí)間tR之和,依據(jù)上面兩式的結(jié)論,再加進(jìn)其他一些沒有預(yù)計(jì)進(jìn)去的時(shí)間,在本電路中,大約為0.5秒。
圖2是用本實(shí)用新型來觀察一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的例子。在固定架E上有一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體P,P上有A、B、C、D等幾個(gè)部分并隨P一同旋轉(zhuǎn),Q是本觀察裝置的電氣和機(jī)械部分,H是本觀察裝置的氙氣閃光管,4路閃光管都裝于一個(gè)投光罩內(nèi)。在P上靠近A的地方設(shè)置一個(gè)磁極M,M也將隨P和A一起旋轉(zhuǎn),用M來控制霍爾型同步開關(guān)19的導(dǎo)通與斷開,M接近開關(guān)19時(shí)開關(guān)接通,M離開開關(guān)19時(shí)開關(guān)斷開。現(xiàn)在欲用本裝置來觀察P上的A部位。
當(dāng)A隨著P一起旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,如果旋轉(zhuǎn)速度較慢,人們用肉眼還能看清A,隨著旋轉(zhuǎn)速度加快,人們看到的不再是A的景像,而是模糊一片。為了能在這種情況下看清楚A,可以借助本裝置。根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體P旋轉(zhuǎn)的快慢,選擇單路型或2路、3路、4路閃光的本裝置,并將單片機(jī)上相應(yīng)的工作狀態(tài)開關(guān)設(shè)置好。然后將環(huán)境亮度降低,以便更加看不清P上的A、B、C、D等部位,在P上靠近A的地方固定好磁極M,將P稍微旋轉(zhuǎn)使A處于人們的觀察位置上,再將霍爾型同步開關(guān)19移近M,使同步開關(guān)在磁極的作用下能可靠地導(dǎo)通,之后將同步開關(guān)19固定于支架上或其他固定物體上。A隨P旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,當(dāng)A不在人們的觀察位置時(shí),同步開關(guān)遠(yuǎn)離磁極M而將斷開,本裝置不會(huì)閃光。在A隨P轉(zhuǎn)至人們的觀察位置時(shí),同步開關(guān)19在磁極M的作用下導(dǎo)通,給單片機(jī)18輸入一個(gè)低電平的控制信號(hào),單片機(jī)立即根據(jù)工作狀態(tài)開關(guān)的設(shè)置情況,進(jìn)入相應(yīng)的工作程序,經(jīng)很快運(yùn)算后便給某個(gè)輸出端輸出一個(gè)低電平的觸發(fā)脈沖,通常這個(gè)工作程序的運(yùn)算是很快的,一般只需幾十微秒或幾百微秒,也就是說單片機(jī)18在接到同步開關(guān)19的控制信號(hào)后立即就給出觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)脈沖的作用下,光電驅(qū)動(dòng)器的發(fā)光二極管發(fā)光,光控電子開關(guān)導(dǎo)通,觸發(fā)電容器放電,從而觸發(fā)閃光管放電閃光,照亮需觀察的部位A,這樣人們就看清A一次。以后每次A經(jīng)過人們的這個(gè)觀察位置時(shí)就重復(fù)上面的過程被照亮一次,人們又再看清A一次,由于入眼的視覺暫留效應(yīng),人們?cè)谶@種情況下就會(huì)覺得看見了A的一個(gè)靜止景象,這樣就能把A看清楚。
前面已經(jīng)說過,每閃光一次,大約需要0.5秒的時(shí)間間隔才能再次閃光。0.5秒閃光周期對(duì)應(yīng)的P的旋轉(zhuǎn)速度為P1=60×1/0.5=120轉(zhuǎn)/分當(dāng)P的旋轉(zhuǎn)速度超過每分鐘120轉(zhuǎn)時(shí),特別是超得比較多時(shí),閃光管就會(huì)來不及閃光。在工業(yè)生產(chǎn)中或日常生活中,都會(huì)遇到轉(zhuǎn)速較快的情況,這時(shí)就需要使用2路、3路或4路閃光的本裝置。在多路閃光的裝置中,單片機(jī)18在接到同步開關(guān)19的控制信號(hào)后,例如在2路閃光時(shí)第一次讓閃光管32閃光,第二次讓閃光管31閃光,再接到同步開關(guān)19的控制信號(hào)后,再讓閃光管32閃光,輪流依次循環(huán)。3路閃光、4路閃光時(shí)也這樣一個(gè)閃光管一個(gè)閃光管地依次循環(huán)。這種情況下,每個(gè)閃光管的時(shí)間間隔仍然為0.5秒以上,保證了它有足夠的恢復(fù)時(shí)間,但在0.5秒內(nèi)卻有多次閃光。
在2路閃光情況下,對(duì)應(yīng)P的旋轉(zhuǎn)速度為P2=2×P1=240轉(zhuǎn)/分在3路閃光情況下,對(duì)應(yīng)P的旋轉(zhuǎn)速度為P3=3×P1=360轉(zhuǎn)/分在4路閃光情況下,對(duì)應(yīng)P的旋轉(zhuǎn)速度為P4=4×P1=480轉(zhuǎn)/分在P的旋轉(zhuǎn)速度更高時(shí),再增加閃光管的路數(shù),將會(huì)使裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積增大,造價(jià)提高,不是本裝置的發(fā)展方向。這時(shí),可用間隔閃光的方法,即同步開關(guān)19每導(dǎo)通兩次閃光一次,甚至同步開關(guān)導(dǎo)通多次閃光一次的方法?;蛘哒f,被觀察部位每?jī)纱位蚨啻谓?jīng)過觀察位置時(shí)被照亮一次,但因?yàn)樗俣瓤欤藗兛吹降娜允且粋€(gè)近似靜止的景象。
上面以旋轉(zhuǎn)物體為例介紹了本裝置的原理和工作過程,同樣道理,對(duì)于往復(fù)式的周期運(yùn)動(dòng),本裝置也同樣可以使用。由于在本裝置中使用同步開關(guān)來檢測(cè)被觀察部分是否經(jīng)過人們的觀察位置,因而對(duì)不太穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng),即在非穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)動(dòng)情況下,用本裝置也能看到近似靜止的景象。
單片機(jī)19在這里起同步觸發(fā)和脈沖分配器的作用,工作程序比較簡(jiǎn)單,可以使用通用的MCS-51系列單片機(jī)中的89C2051或P87LPC762等低檔芯片,也可以使用能滿足要求的其他單片機(jī)芯片。在圖1中已經(jīng)給出了單片機(jī)在本裝置中的連接方法,這里再作一下詳細(xì)的說明在單片機(jī)的一些端子上,根據(jù)單片機(jī)技術(shù)性能的要求,接有為工作所必需的電源、復(fù)位、晶體振蕩器等器件;在另外的三個(gè)輸入端上接有工作狀態(tài)設(shè)置開關(guān)81、82和83,依電路的連接方式,開關(guān)接通時(shí)狀態(tài)為0,斷開時(shí)為1;這樣開關(guān)81有0、1兩種狀態(tài),在程序上設(shè)計(jì)為開關(guān)81控制閃光類型,81為0時(shí)是連續(xù)閃光,為1時(shí)是間隔閃光;開關(guān)82、83有00、01、10、11四種狀態(tài),在程序上設(shè)計(jì)為00為1路閃光方式,01為2路閃光方式,10為3路閃光方式,11為4路閃光方式;單片機(jī)的另一個(gè)輸入端接有同步開關(guān)19,這個(gè)輸入端可以是一般輸入端,也可以是一個(gè)外部中斷輸入端,在下邊的說明中設(shè)定它為一個(gè)中斷輸入端;單片機(jī)的輸出端使用了四個(gè),分別接有光電驅(qū)動(dòng)器71、72、73和74。
圖3是本裝置中單片機(jī)工作程序的流程圖。在通電工作之前,應(yīng)根據(jù)需觀察物體運(yùn)動(dòng)的快慢以及閃光路數(shù)的數(shù)量,將本裝置的工作狀態(tài)設(shè)置開關(guān)81、82和83設(shè)置好。單片機(jī)在通電后,振蕩器開始振蕩,隨即進(jìn)行復(fù)位,然后跳轉(zhuǎn)入第一條程序所在的地址,進(jìn)行初始化,就是把接有開關(guān)81、82和83的端子設(shè)置為輸入端,把接有71、72、73和74的端子設(shè)置為輸出端,之后進(jìn)入運(yùn)行程序,把開關(guān)81的狀態(tài)讀入寄存器R1,把開關(guān)82、83的狀態(tài)讀入寄存器R2,并清0寄存器R3。這些程序運(yùn)行之后,就等待接有同步開關(guān)19的中斷輸入端上的中斷信號(hào)。
當(dāng)需觀察的部位經(jīng)過觀察位置時(shí),同步開關(guān)19接通,中斷輸入端上出現(xiàn)一個(gè)低電平的中斷信號(hào)。單片機(jī)接此中斷信號(hào)后,將寄存器R1與R3相減并把結(jié)果存於R4,之后判斷R4是否為0。因?yàn)檫@時(shí)寄存器R1中存的是閃光類型信息1或0,而寄存器R3中此時(shí)是0。如果R1為0表示是連續(xù)閃光,相減結(jié)果當(dāng)然仍為0,單片機(jī)就轉(zhuǎn)入輸出控制信號(hào)的程序;如果R1中存的是1表示是間隔閃光,相減結(jié)果是1不為0,這時(shí)單片機(jī)則將寄存器R3加1,并轉(zhuǎn)向繼續(xù)等待下次中斷信號(hào)。當(dāng)再一個(gè)中斷來時(shí),單片機(jī)重復(fù)上面的步驟,再次將R1與R3相減,因?yàn)檫@時(shí)R3已被改寫為1了,所以相減的結(jié)果將是0,單片機(jī)就轉(zhuǎn)入輸出控制信號(hào)的程序,成為間隔閃光的方式。
轉(zhuǎn)入輸出控制信號(hào)的程序后,首先單片機(jī)將清0寄存器R3,為下次接收中斷信號(hào)作準(zhǔn)備,同時(shí)依開關(guān)82、83的狀態(tài)寄存器R2的內(nèi)容,向一個(gè)輸出端輸出低電平的觸發(fā)脈沖,使光電開關(guān)中的發(fā)光二極管導(dǎo)通閃光,進(jìn)而觸發(fā)閃光管閃光。寄存器R2中存的是開關(guān)81、82的狀態(tài),本來代表幾路閃光的方式,而這時(shí),它又代表幾路閃光的次序,00為第1路,01為第2路,10為第3路,11為第4路。例如R2中存的是10,則它既代表是3路閃光方式,而這時(shí)又代表向第3路閃光管輸出觸發(fā)脈沖。輸出觸發(fā)脈沖經(jīng)一段延時(shí),以保證閃光管能可靠閃光,然后停輸出。之后將寄存器R2減1并判斷R2是否小于0或等于0。如小于0說明是單路閃光,則程序就轉(zhuǎn)向前邊所說的運(yùn)行程序,又一次讀開關(guān)81、82和83的狀態(tài),開始再一輪運(yùn)行。如不小于或等于0,說明是多路閃光,則程序轉(zhuǎn)向前邊所說的等待中斷,重復(fù)上面的過程。再有中斷信號(hào)并運(yùn)行相應(yīng)程序而又進(jìn)入到輸出控制信號(hào)的程序時(shí),因?yàn)镽2已經(jīng)減1,所代表的閃光次序已與上次不同,因而將向另外一個(gè)輸出端子輸出觸發(fā)脈沖,使另一個(gè)閃光管閃光。這樣的過程重復(fù)幾次至R2減1后等于0,說明幾個(gè)閃光管都已閃光一次,程序就又轉(zhuǎn)向運(yùn)行程序,再一次讀開關(guān)81、82和83的狀態(tài)開始新一輪工作。
綜上所述,本實(shí)用新型使用同步脈沖閃光原理,使人們能用肉眼觀察周期運(yùn)動(dòng)物體上的某一部分,由于在裝置中又使用了多路閃光,單片機(jī)和同步開關(guān),使幾路閃光管可以自動(dòng)地輪流閃光,這樣,周期運(yùn)動(dòng)物體的速度從較慢到較快,是穩(wěn)態(tài)或是非穩(wěn)態(tài),本裝置都能適應(yīng),這又進(jìn)一步增強(qiáng)了本裝置的實(shí)用性。
權(quán)利要求1.一種穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)動(dòng)的同步觀察裝置,使用同步脈沖式閃光原理,包括由電源變壓器、整流電路、儲(chǔ)能電容、觸發(fā)電容、觸發(fā)變壓器、氙氣閃光管及相應(yīng)元件構(gòu)成的幾路相同的閃光電路,還包括由單片機(jī)及單片機(jī)工作所必需的元件、工作狀態(tài)設(shè)置開關(guān)、同步開關(guān)、幾路相同的光電驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的同步觸發(fā)和脈沖分配器,其特征在于用于檢測(cè)被觀察部分是否經(jīng)過人們的觀察位置的同步開關(guān)接于單片機(jī)的一個(gè)輸入端上,幾路光電驅(qū)動(dòng)器分別接于單片機(jī)的幾個(gè)輸出端上;光電驅(qū)動(dòng)器中的光控電子開關(guān)與觸發(fā)變壓器的初級(jí)線圈組成觸發(fā)電容器的放電回路,并在單片機(jī)接到同步開關(guān)的控制信號(hào)時(shí)輸出觸發(fā)脈沖使光控電子開關(guān)導(dǎo)通,從而觸發(fā)閃光管放電閃光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觀察裝置,其特征還在于幾路光電驅(qū)動(dòng)器的路數(shù)和幾路閃光電路的路數(shù)相同,其路數(shù)的優(yōu)選值為1路到4路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的觀察裝置,其特征還在于單片機(jī)內(nèi)存有單路、2路、3路和4路閃光的工作程序,以及連續(xù)閃光和間隔閃光的工作程序,單片機(jī)工作于何種程序由單片機(jī)輸入端的工作狀態(tài)設(shè)置開關(guān)來決定。
專利摘要一種觀察穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)動(dòng)的同步裝置,主體是相同的幾路由氙氣閃光管等組成的脈沖光源,另有由單片機(jī)及同步開關(guān)、光電驅(qū)動(dòng)器等構(gòu)成的同步觸發(fā)和脈沖分配器。每當(dāng)周期運(yùn)動(dòng)物體上需觀察部位經(jīng)過人們的觀察位置時(shí),同步開關(guān)導(dǎo)通,單片機(jī)隨即輸出觸發(fā)脈沖使閃光管閃光,照亮須觀察部位,由于人眼的視覺暫留效應(yīng),人們看見的就是一個(gè)近似靜止的景像。通過工作狀態(tài)開關(guān)的設(shè)置,單片機(jī)可以使幾路閃光管輪流循環(huán)閃光,從而可以觀察運(yùn)動(dòng)速度較快的物體。
文檔編號(hào)H05B41/44GK2407550SQ9925264
公開日2000年11月22日 申請(qǐng)日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月30日
發(fā)明者王明安, 許曉利, 吉宏 申請(qǐng)人:王明安