能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统及其测量方法与流程

本发明涉及能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统及其测量方法，属于物理教具技术领域。

背景技术：

研究小车运动规律是非常重要的高中基础物理实验，物理实验教学是高中物理教学的重要环节之一,也是教师最常使用的教学方法之一.长期的物理教学实践证明,理论与实验相结合的教学方式对高中物理教学作用显著,在促进学生对物理概念的理解和激发学生学习兴趣方面必不可少。

目前使用的探索运动规律等实验主要存在以下不足：（1）采用打点计时器或者外接的位移传感器测试位移等信息组装麻烦，不易操作，对小车运动本身存在额外受力。（2）实验数据测量计算复杂，需要单独针对实验进行测量并计算实验结果。（3）对于涉及到碰撞实验等测试麻烦，不能判断小车运行方向。（4）实验结果不能上传到计算机等显示终端，不能进行数字化教学。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统，操作简单方便、结构合理、实验结果直观明了。

本发明的另一个目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统的测量方法。

为了达到以上目的，本发明的具体技术方案如下：

本发明一种能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统，包括轨道和设置在轨道上的运动小车，所述运动小车内设有MCU处理器、反射式光电传感器、电源模块和无线通信模块；所述反射式光电传感器、电源模块和无线通信模块均与MCU处理器相连；所述轨道上设有与运动小车车轮间距相等的两个导向槽，所述轨道之间设有两路相位差为90度的黑白光栅条。

进一步地，所述运动小车包括相连的车体和车盖，所述MCU处理器、电源模块和无线通信模块均设置在车体和车盖之间，所述反射式光电传感器设置在车体的底部。

进一步地，所述MCU处理器和无线通信模块集成在电路板上。

进一步地，所述反射式光电传感器有两个，分别为第一反射式光电传感器和第二反射式光电传感器，所述轨道之间设有两路黑白光栅条，分别为第一路黑白光栅条和第二路黑白光栅条，所述第一反射式光电传感器对应第一路黑白光栅条，所述第二反射式光电传感器对应第二路黑白光栅条。

进一步地，还包括与无线通信模块相连的带显示功能的终端设备。

进一步地，所述带显示功能的终端设备包括PC机、平板电脑、笔记本、手机、投影仪和智能手表。

能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、小车运行方向的判定；

当小车正向行驶时，光电传感器输出的A相信号超前B相（A相上升沿时，B相低电平，以此来判断出小车正向行驶；当反向行驶时，光电传感器输出的A相信号滞后B相，A相上升沿时，B相高电平，以此来判断出小车反向行驶，MCU处理器以此来识别小车的运动方向；

步骤二、求取小车的速度；

A相和B相方波信号对应的光栅条上的长度是固定长度，假设光栅条的间隔周期为1mm的长度，MCU处理器根据A相和B相信号在固定的时间t， 1mm内变化的次数s，就可以根据公式v=s/t求出小车的运动速度；

步骤三、求取小车的加速度；

MCU在得到速度值之后在用速度值根据时间求导即可得到小车的运动加速度，也可以根据传统的时间、距离及速度的关系公式算出加速度；假设光栅条的间隔周期为1mm的长度，MCU处理器根据A相和B相信号在固定的时间t，1mm内变化的次数s，就可以根据公式v=s/t求出小车的运动速度v，然后根据公式求出小车的加速度a。

本发明运动小车上装有两路反射式光电传感器，运动小车内部含有电池及充电等电源模块，电池等组成的电源模块用于充电管理及电路供电电源，可以避免电源线对小车自由运动的影响；运动小车内部电路中含有MCU处理器、无线通信模块，MCU处理器用于处理光电传感器转化来的方波电信号来判断小车的运行方向，计算小车运行速度；无线通信模块用于和其他终端设备进行通信实现数字化教学，避免通信线对小车运动的影响，运动小车在固定的轨道上运行，小车轨道上有和小车轮间距相等的两个导向槽，两个导向槽用于引导小车的行驶轨迹，小车轨道上沿着小车运动轨迹贴有两路相位差90度的黑白光栅条，小车运行时，两路反射式光电传感器把轨道上的光栅条信息转化为相位差90度的数字方波脉冲信号，送给MCU电路处理及计算，带显示的终端设备，主要用于接收处理小车的测量结果，实现图形化显示，测量结果直观明了。

本发明相比现有技术的突出效果如下：

传统的试验方式需要有额外的电源线连着运动小车，并且需要配合打点纸一起使用，但是电源线和打点纸会造成额外阻力，对实验产生影响；本发明安装简单，操作方便，采用非接触式测量，没有电源线，打点纸带等额外阻力对实验的影响，可以适用于多种运动规律的探究实验。本发明基于光电方式，不改变传统实验方式的情况下，采用无接触方式测量出了小车的运动方向及距离，适用于探究匀速直线运动规律，探究加速度与力、质量的关系，小车碰撞等各种实验。本发明以电池供电，采用非接触测量方式，克服了小车运动实验中电源线阻力及测量阻力对自由运动本身的影响；本发明以导向槽作为运动方向的引导，用反射式光电传感器结合光栅条判断小车的运动方向，计算小车的运动速度、加速度等物理量，克服了传统的小车运动系统需要借助各种外置传感器来进行运动参数的测量等缺陷。本发明可以识别小车的运动方向，测算出距离，加速度等信息，减少实验过程中测量计算环节，功能全面；本发明可以在各种终端设备上（如PC机、平板电脑、笔记本、手机、投影仪和智能手表等）以数字方式、图形方式等呈现实验结果，实现了数字化教学。本发明结构严谨、操作组装简单，使用方便，能够满足需要开展此项工作的教学需求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明小车正向行驶时，方波信号结构示意图。

图3为本发明小车反向行驶时，方波信号结构示意图。

图中：1-车体；2-第一反射式光电传感器；3-第二反射式光电传感器；4-轨道；5-第一路黑白光栅条；6-第二路黑白光栅条；7-导向槽；8-电池模块；9-车盖；10-电路板；11-车轮。

具体实施方法

如图1所示，本发明一种能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统，包括轨道4和设置在轨道4上的运动小车，所述运动小车内设有MCU处理器、反射式光电传感器、电源模块8和无线通信模块；所述反射式光电传感器、电源模块8和无线通信模块均与MCU处理器相连；所述轨道4上设有与运动小车车轮11间距相等的两个导向槽7，所述轨道4之间设有两路相位差为90度的黑白光栅条。

所述运动小车包括相连的车体1和车盖9，所述MCU处理器、电源模块8和无线通信模块均设置在车体1和车盖9之间，所述反射式光电传感器设置在车体1的底部。

本发明所述MCU处理器和无线通信模块集成在电路板10上。所述反射式光电传感器有两个，分别为第一反射式光电传感器2和第二反射式光电传感器3，所述轨道4之间设有两路黑白光栅条，分别为第一路黑白光栅条5和第二路黑白光栅条6，所述第一反射式光电传感器2对应第一路黑白光栅条5，所述第二反射式光电传感器3对应第二路黑白光栅条6。本发明还包括与无线通信模块相连的带显示功能的终端设备。所述带显示功能的终端设备包括PC机、平板电脑、笔记本、手机、投影仪和智能手表。

如图2-3所示，本发明一种能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统，包括小车，小车内部安装有电池，电路板，两个反射式光电传感器，电路板上含有MCU处理器及无线收发模块、电源开关等；小车在轨道上运行，轨道上设置有导向槽，轨道上含有光栅条。两组反射式光电传感器分别测量光栅条的两路黑白间隔的光栅信息，把相位差为90度的光栅信号转换为相位差90度的方波电信号A和B，（如图2-3）。MCU处理器根据A或B信号在一个脉冲周期中的某一特定跳变沿时刻另一个信号的电平高低来进行辩向和计数。如图2所示，当小车正向行驶时，光电传感器输出的A相信号超前B相（A相上升沿时，B相低电平），如图3所示，当反向行驶时，光电传感器输出的A相信号滞后B相（A相上升沿时，B相高电平），MCU处理器以此来识别小车的运动方向。图中A相和B相方波信号对应的光栅条上的长度是固定的，MCU处理器根据A相和B相信号占用的时间长度就可以计算出速度和加速度等信息。

能自识别运动方向及距离的数字化小车轨道系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、小车运行方向的判定；

当小车正向行驶时，光电传感器输出的A相信号超前B相（A相上升沿时，B相低电平，以此来判断出小车正向行驶；当反向行驶时，光电传感器输出的A相信号滞后B相，A相上升沿时，B相高电平，以此来判断出小车反向行驶，MCU处理器以此来识别小车的运动方向；

步骤二、求取小车的速度；

A相和B相方波信号对应的光栅条上的长度是固定长度，假设光栅条的间隔周期为1mm的长度，MCU处理器根据A相和B相信号在固定的时间t， 1mm内变化的次数s，就可以根据公式v=s/t求出小车的运动速度；

步骤三、求取小车的加速度；

MCU在得到速度值之后在用速度值根据时间求导即可得到小车的运动加速度，也可以根据传统的时间、距离及速度的关系公式算出加速度；假设光栅条的间隔周期为1mm的长度，MCU处理器根据A相和B相信号在固定的时间t，1mm内变化的次数s，就可以根据公式v=s/t求出小车的运动速度v，然后根据公式求出小车的加速度a。

传统的试验方式需要有额外的电源线连着运动小车，并且需要配合打点纸一起使用，但是电源线和打点纸会造成额外阻力，对实验产生影响；本发明安装简单，操作方便，采用非接触式测量，没有电源线，打点纸带等额外阻力对实验的影响，可以适用于多种运动规律的探究实验。

本发明基于光电方式，不改变传统实验方式的情况下，采用无接触方式测量出了小车的运动方向及距离，适用于探究匀速直线运动规律，探究加速度与力、质量的关系，小车碰撞等各种实验。本发明以电池供电，采用非接触测量方式，克服了小车运动实验中电源线阻力及测量阻力对自由运动本身的影响；本发明以导向槽作为运动方向的引导，用反射式光电传感器结合光栅条判断小车的运动方向，计算小车的运动速度、加速度等物理量，克服了传统的小车运动系统需要借助各种外置传感器来进行运动参数的测量等缺陷。本发明可以识别小车的运动方向，测算出距离，加速度等信息，减少实验过程中测量计算环节，功能全面；本发明可以在各种终端设备上（如PC机、平板电脑、笔记本、手机、投影仪和智能手表等）以数字方式、图形方式等呈现实验结果，实现了数字化教学。本发明结构严谨、操作组装简单，使用方便，能够满足需要开展此项工作的教学需求。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方法。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。