专利名称：智能单摆演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及物理教学的实验仪器，特别是一种智能单摆演示仪，它尤其适合老师在教学过程中作实验演示用。
背景技术：
在现代物理教学科研工作过程中，实验课程是一个非常重要的教学环节，它能直观地展现演绎深奥的物理原理，这对增加教与学的趣味性、培养学生动手能力、强化对基本知识的理解能力进而提高教学质量水平都具有非常明显的效果。我们知道在物理专业的教学课程中，“单摆原理”就是一个普遍公认的老师难以讲解、同学们又难以理解的“难点章节”，一般来说，老师常常要借助单摆仪反复多次地进行教学实验演示，才能勉强完成本章节的基本教学任务，但是最终的教学效果大都不尽理想。据调查了解，其主要原因就在于现行的教学用单摆仪都是老师凭经验手动操作来启动摆体、然后采用人工数记摆次和秒表 计量周期的方式进行演示操作，无庸置疑，在实际实验演示中常常存在着摆角估算误差较大、摆次记数不准确、时间测量精度低和操作不便的使用缺陷，这将直接影响“单摆原理”教学中所要建立“周期与摆长关系式”的准确严谨性。为保证并稳定教学成果，近来，已有一些改进的“单摆仪”教具面市，例如能自动启摆的“磁力单摆”(专利号200720044500. 0)，它在托盘上规律地分布多个磁铁，根据磁铁同性相斥异性相吸的原理，利用磁力能作动力源改变摆锤静止位置实现摆动。再如采用分体结构能调节摆锤重量和摆长的“单摆”(专利号98202596),其结构特点是在底座表面设置2个孔,将竖杆插于孔中，短杆再插于竖杆孔内，再将支架的圆杆插于短杆上面，球形摆锤由上下两部分组成，可将一些橡皮泥置于下部摆锤内调节摆锤重量，上部摆锤连接一棉纶线悬挂于支架的刀口上面即可。虽然上述“单摆仪”都能进行单摆试验，但是，它们在使用中仍存在智能化水平低、实验测量数据误差大、操作使用不便、功能单一等技术缺陷，这也正是现行单摆教具还需要进一步改进和完善的地方。
实用新型内容本实用新型的目的是在现有技术的基础上提出一种智能单摆演示仪，它利用数字智能技术进行自动起摆、控制设定摆长、周期测量和实验结果显示，简化了实验演示的繁琐操作，这对提高实验演示的操作效率和精确度进而优化物理教学成果都具有明显作用。本实用新型的目的是按照如下技术方案来实现的一种智能单摆演示仪，它包括底座、立杆、绕线盘、安装于立杆的支线鼻架和拴挂于摆线下端的摆体，摆线的上端穿过支线鼻架缠装于绕线盘，其特征在于在底座上安装有MCU最小系统和人机交互模块，所说的人机交互模块由键盘和液晶显示屏构成，在立杆上安装有驱动绕线盘的摆长控制模块、启动摆线的自动起摆模块和周期测量模块，所说的摆长控制模块、自动起摆模块和周期测量模块由一组导线与MCU最小系统相连接。在MCU最小系统中编程存入如下有关“单摆原理”的计算公式[0006]T = 231 [L/g]1/2式①T 平均=[T^T2+..........+Tn] / η式②其中T为单摆周期(s) ; L为摆长(m);G为重力加速度(m/s2) ；n为测量周期的次数。它是这样进行单摆实验教学演示工作的首先开机进行初始化设置，通过人机交互模块的键盘输入设定摆线的长度值、起摆的次数和所要测量周期的次 数。输入起摆指令时，摆长控制模块的数字舵机启动将驱动绕线盘转动调节控制摆线摆长至所设定的长度；自动起摆模块的数字舵机启动将带动启摆曲鼻在一定摆幅内牵引摆线左右摆动进行起摆操作，当达到所设定“起摆的次数”时，数字舵机停止工作并使启摆曲鼻自然下垂停止于中间位置，即为单摆摆线的上端固定点，也是摆长计算起点。至此，摆体将进入正常的摆动状态，可由激光发射管和接收管构成的周期测量模块精确捕捉摆体的摆动次数并测量周期，当摆动次数达到所设定“测量周期的次数”时，即可由MCU最小系统进行运算处理并在液晶显示屏上直接显示出摆线摆长的长度值、起摆的次数、测量周期的次数和所测量的周期(T^ra)等数据。本实用新型是利用数字电子技术制成的智能单摆，它能够精确地设定调节控制摆长、起摆的次数、摆角和测量周期的次数等多个实验参数，在实际教学演示中，它能自动进行起摆、准确记录摆动次数、精确测量周期和运算处理并显示测量结果的全过程操作，具有实验操作方便简捷、省力省时效率高、测量数据精确和演示直观可信的突出优点，对改进和优化物理实验教学科研工作具有明显效果。本实用新型还具有如下的技术特征所说的MCU最小系统由C8051R)20单片机、电源电路、时钟电路和复位电路构成。具有结构简捷价格低廉、运算处理快速、功能齐全的特性，能很好地满足单摆实验演示的教
学需要。所说的周期测量模块由激光发射管和接收管构成，在激光发射管与接收管之间设置有穿装摆线的摆槽通孔。可使拴挂摆体的摆线在摆槽通孔内自由地左右摆动，并能由周期测量模块精确地捕捉摆体的摆动次数并测量周期，这对提高实验演示精确度有明显效果O所说的摆长控制模块为S-D5型数字舵机动力装置，由S-D5型数字舵机动力装置驱动绕线盘调节摆线的长度。选用市购标准件S-D5型数字舵机作为摆线长度控制的动力装置，具有结构紧凑、价格低和操作使用方便的优点，只需要通过键盘输入设定摆线长度值，即可由数字舵机驱动绕线盘转动调节控制摆线至所需长度。自动起摆模块为S-D5型数字舵机动力装置，由S-D5型数字舵机动力装置摆动启摆曲鼻牵引摆线起摆。用市购标准件S-D5型数字舵机作为启摆曲鼻左右摆动的动力装置，可通过键盘设定启摆曲鼻左右摆动的起摆次数，当输入起摆指令时，即可由数字舵机带动启摆曲鼻在一定摆幅内牵引摆线左右摆动进行起摆，摆体进入正常摆动状态后，数字舵机将停止工作并使启摆曲鼻自然下垂停止于中间位置，即为计算单摆摆长起点的上端固定点。所说的一组导线穿配于立杆杆腔内，使外形更为美观整洁，可有效避免因导线外露而影响演示操作的缺陷，增强教学演示效果。本实用新型具有如下实质性特点和进步[0018]本实用新型首创了由MCU最小系统、摆长控制模块、自动起摆模块、周期测量模块和人机交互模块构成的智能单摆演示仪，它能精确设定摆长、起摆次数和测量周期次数等实验参数，并能自动起摆、记录摆次、测量周期并运算显示结果，简化了传统实验的繁琐操作，具有实验演示直观、测量数据准确可靠，这对稳定提高物理实验教学质量有明显效果。
图I是本实用新型的结构示意图，也作摘要附图。图2是图I的A—A视图(放大)，展示周期测量模块在激光发射管与接收管之间设置供摆线左右摆动的摆槽通孔的结构示意图。图3是本实用新型工作原理的模块框图。图4是本实用新型的主程序流程示意图。附图中的标记说明I为摆长控制模块，2为托架，3为立杆，4为一组导线，5为键盘，6为底座，7为MCU最小系统，8为液晶显示屏，9为摆体，10为摆线，11为周期测量模块，12为自动起摆模块，13为启摆曲鼻，14为支线鼻架，15为绕线盘，16为接收管，17为摆槽通孔，18为激光发射管，19为箭头。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本实用新型的实施例一种智能单摆演示仪，它主要由底座6、立杆3、支线鼻架14、绕线盘15、摆体9和安装于底座6上的MCU最小系统7、人机交互模块构成，所说的MCU最小系统7是由C8051R)20单片机、电源电路、时钟电路和复位电路构成，人机交互模块包括键盘5和IXD1602型液晶显示屏8，在立杆3上由托架2支撑安装有驱动绕线盘15的摆长控制模块I、启动摆线10的自动起摆模块12和周期测量模块11，上述摆长控制模块I、自动起摆模块12和周期测量模块11分别由穿配于立杆3杆腔内的一组导线4连接于MCU最小系统7，所说的周期测量模块11由激光发射管18和接收管16构成，在激光发射管18与接收管16之间设置有摆槽通孔17，所说摆长控制模块I、自动起摆模块12是用可市购的标准件S-D5型数字舵机作为动力装置，在自动起摆模块12的S-D5型数字舵机动力装置轴上配装有能左右摆动的启摆曲鼻13，在摆长控制模块I的S-D5型数字舵机轴上配装有绕线盘15，上端缠装于绕线盘15的摆线10依次穿过支线鼻架14、启摆曲鼻13、摆槽通孔17后再在下端拴挂摆体9，如箭头19所示，使单摆的摆线10以启摆曲鼻13位置为固定端点在摆槽通孔17内能够自由无碍地左右摆动。它是这样进行单摆实验教学演示的首先开机进行初始化设置，通过人机交互模块的键盘5输入设定摆线10的长度值(可设定长度范围为5(Tl20cm)、起摆的次数(可设定范围为5 10次)、测量周期的次数(可设定范围为2(Γ160次)，设定准备完毕后，再输入起摆指令摆长控制模块I的数字舵机先启动工作，将驱动绕线盘15转动调节控制摆长为所设定的长度值；自动起摆模块12的数字舵机启动工作并带动启摆曲鼻13在一定摆幅内(摆角一般控制为4 8° )牵引摆线10左右摆动进行起摆，当达到所设定“起摆的次数”时，自动起摆模块12的数字舵机停止工作并使启摆曲鼻13自然下垂停止于中间位置，即为单摆摆线10的固定端点。至此，摆体9将进入正常测量的摆动状态，可由激光发射管18和接收管16构成的周期测量模块11精确地捕捉摆体9的摆动次数并测量周期，当摆动次数达到所设定“测量周期的次数”时，即可由MCU最小系统进行运算处理并在液晶显示屏8上直接显示出测量结果摆长的长度值、起摆的次数、测量周期的次数和所测量的周期(T
平均)等数据信息。在进行物理实验教学时可按上述方法，分别设定多组不同的“摆长值”和“测量周期的次数”反复地进行多次演示操作，都能准确严谨地演示验证单摆原理，即“单摆周期与摆长的数学关系式”。当然，可在MCU最小系统中编程存入如下重力加速度计算公式g = 4L[Ji/T]2式③ g 平均=IigJg2+..........+gj /n 式④也能同时测量当地的重力加速度并显示重力加速度的数据,可极大地拓展本实用新型的测量演示功能，具有极佳的教学演示实验效果，这对改进优化物理实验教研工作有积极意义。
权利要求1.ー种智能单摆演示仪，它包括底座(6)、立杆(3)、绕线盘(15)、安装于立杆(3)的支线鼻架(14)和拴挂于摆线(10)下端的摆体(9)，摆线(10)的上端穿过支线鼻架(14)缠装于绕线盘(15)，其特征在于在底座(6)上安装有MCU最小系统(7)和人机交互模块，所说的人机交互模块由键盘(5)和液晶显示屏(8)构成，在立杆(3)上安装有驱动绕线盘(15)的摆长控制模块(I)、启动摆线(10)的自动起摆模块(12)和周期測量模块(11)，所说的摆长控制模块(I)、自动起摆模块(12)和周期測量模块(11)由一组导线(4)与MCU最小系统(7)相连接。
2.根据权利要求I所述的智能单摆演示仪，其特征在干所说的MCU最小系统(7)由C8051F020单片机、电源电路、时钟电路和复位电路构成。
3.根据权利要求I或2所述的智能单摆演示仪，其特征在于所说的周期測量模块(11)由激光发射管(18)和接收管(16)构成，在激光发射管(18)与接收管(16)之间设置有穿装摆线(10)的摆槽通孔(17)。
4.根据权利要求I或2所述的智能单摆演示仪，其特征在于所说的摆长控制模块(I)为S-D5型数字舵机动カ装置，由S-D5型数字舵机动カ装置驱动绕线盘(15)调节摆线(10)的长度。
5.根据权利要求I或2所述的智能单摆演示仪，其特征在干自动起摆模块(12)为S-D5型数字舵机动カ装置，由S-D5型数字舵机动カ装置摆动启摆曲鼻(13)牵引摆线(10)起摆。
6.根据权利要求I或2所述的智能单摆演示仪，其特征在于所说的ー组导线(4)穿配于立杆(3)杆腔内。
专利摘要本实用新型提出了一种智能单摆演示仪，它主要由底座、立杆、绕线盘、摆体、摆长控制模块、自动起摆模块、周期测量模块、人机交互模块和MCU最小系统构成，它能方便地精确调控设定摆长、测量周期次数等实验参数值，并能自动进行起摆、记录摆次、测量周期和显示结果，大大简化了传统实验的繁琐操作，实验省力省时效率高，本实用新型具有结构设计科学合理、简捷明快、生产制造成本低、实验测量数据精确、演示直观可信度高的优点，特别适合老师在物理实验教学环节中作演示仪器用，在我国高校以及中学教育部门有很好的推广使用前景，对优化物理实验教研工作具有一定作用。
文档编号G09B23/10GK202373213SQ20112053259
公开日2012年8月8日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者何光普, 周大鹏, 常峰, 张自友, 李健 申请人:乐山师范学院