电子单摆演示装置的制造方法
【专利说明】
[0001][技术领域]单摆演示装置是中学物理课程中的实验仪器，它测量出摆球在单摆运动过程中的周期来计算重力加速度g，并研究单摆运动摆长与振动周期间的关系。用一根绝对挠性且长度不变、质量可忽略不计的线悬挂一个质点，在重力作用下在铅垂平面内作周期运动，就成为单摆。单摆在摆角小于5° (现在一般认为是小于10° )的条件下振动时，可近似认为是简谐运动。单摆运动的周期公式:Τ=2π V (L/g).其中L指摆长，g是当地重力加速度。
[0002][【背景技术】]现有的单摆演示实验仪，其构造大体上与本发明有点相近，但是它是一种需要用传感器测出摆球运动一个周期的时间，而且在测量过程中还要记录摆球摆动时的角度，而且无法记录摆球运动的曲线轨迹，在改变摆长的时候还要改变角度盘的位置，费时费力。
[0003]采用这种传统的仪器来测量时，不够形象和直观，它不能即时即刻地把真实的单摆运动所经过的运动曲线的轨迹记录并显示给学生看，人们只能够看到单摆的运动，而看不到摆的运动轨迹，也无法把实验中产生的运动曲线记录、保存下来，并在必要的时候被打印出来。
[0004]本发明的目的在于推出一种配有新式二维红外传感系统的二维单摆演示装置，它在实验时能够把单摆摆球的运动特性曲线即时地显示在仪器的直立平板上，让学生直接看到这条单摆运动曲线。并且通过曲线可以探究摆球单摆运动过程中摆长与周期间的关系，以及能计算出重力加速度g，并且这条摆球运动所得到的曲线能被纪录、储存下来，以供作为实验文档之用，它可重复显示和打印。并且，通过计算机的辅助计算，可以向学生证明，这条曲线符合对单摆运动所做出的数学、物理定义。
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【发明内容】
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[0005]1，一种电子单摆演示装置，它包括有一个直立的摆架、一个悬挂在摆架上的摆球、一根做实验时不会伸长的摆线和一个摆线悬挂固定装置，其特征是:所述的摆架包含有上红外发射直条框架、下红外接收直条框架、左红外发射直条框架和右红外接收直条框架，并由这四条电子直条框架围拢固定形成，所述的电子围框的上直条框架上设有一个调节摆线长短的滑轮机构；在所述围框下部的下直条框架上设有一个用以确定摆线摆角的弧线刻度盘，所述的电子电路部分包括主控板上的单片机、其周边的外接电源、电源电路、横向红外接收模块、纵向红外接收模块、纵向红外发射模块、横向红外发射模块、储存模块、以及电脑软件和各电路接插口。
[0006]2，所述的红外发射模块包含有红外发射直条框架共两块，这两块直条框架上的电路布置形态是一样的，第一块是竖直布置的红外发射管左直条框架49，其上有7块级联芯片74HC595芯片和54个红外发射管电路和4块74HC14数字信号整形芯片；而第二块是水平布置的红外发射管上直条框架50，其上共有5块级联芯片74HC595芯片和4块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外发射管电路。
[0007]3，所述的红外接收模块包含有红外接收直条框架共两块，这两块直条框架上的电路布置形态是一样的，第一块是竖直布置的红外接收管右直条框架，其上有7块级联芯片74HC595和54个红外接收管电路和3块74HC14数字信号整形芯片；而第二块是横向水平布置的红外接收管下直条框架，其上共有5块级联芯片74HC595和3块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外接收管电路。
[0008]4，所述的电气连接的盒体它是一个外挂的方形的盒体，其内包含有控制整个系统运行的主控板上的单片机芯片，电源输入接口，电源电路，存储模块，与电脑通讯用的USB接口，与两块红外发射管直条框架通讯用的两个接口，和与两块红外接收管直条框架通讯用的两个接口。
[0009]5，所说的电源电路是直流电压转换电路，Dl芯片是DC-DC转换芯片，它是把5v的直流电压转换为3.3v的直流电压的DC-DC转换芯片，型号是AS1117-3.3v。
[0010]6，所说的单片机的型号是C8051F380芯片。
[0011]7，所述的各电路之间的接插口包含有以下一些:
[0012]红外发射管左侧入口 P3,红外发射管上侧入口 P4,
[0013]红外接收管右侧入口 Pl，红外接收管下侧入口 P2 ；
[0014]红外发射管左侧入口 P67，红外发射管上侧入口 P68，
[0015]红外发射管左侧级联接口 P65，红外发射管上侧级联接口 P66 ；
[0016]红外接收管下侧入口 P65，红外接收管右侧入口 P67 ；
[0017]红外接收管下侧级联接口 P66，红外接收管右侧级联接口 P68。
[0018]8，所述的摆架是一个由上、下、左、右四条成为电子围框的直条框架通过四个角件装配固定而成，它是一个四方直立的由红外线形成的二维红外坐标平面。
[0019]9，所述的电子围框的上直条框架上设有一个调节摆线长短的摆线滑轮机构，它包含有摆线滑轮、螺杆轴、紧固弹簧、调节螺母、位于上直条框架中央位置的一个摆线控制器和用于固定调节螺杆的凸台。
[0020]10，所述的用于连接固定四根直条框架形成一个直立四方二维红外坐标平面的四个角件中位于底下的两个比位于上面的两个要来得大而重。
[0021]本发明提供一种电子单摆演示装置，它包括有一个直立的摆架，摆架又包含一个由上、下、左、右四条电子围框通过四个角件装配固定而成的一个四方直立的由纵横交错的红外线形成的二维红外坐标。所述的电子围框的上直条框架上设有一个调节摆线长短的滑轮机构。在做实验时，被悬挂着的摆球就在这个二维红外坐标的范围内作来回往复的单摆运动。所述的摆架上的电路包括有两个红外发射模块，它们是左红外发射模块和上红外发射模块；电路还包括两个红外接收模块，它们是右红外接收模块和下红外接收模块。在所说的两块红外发射模块的直条框架上固定有间隔均匀的红外线发射管；而在所述的两块红外接收模块的直条框架上固定有间隔均匀的红外线接收管。所述的上、下、左、右四条直条框架的长短尺寸决定了所述二维红外坐标的面积和长宽比例。
[0022]在所述的摆架的上直条框架上固定有摆线滑轮机构，所述的摆线滑轮机构又包含有位于上直条框架中央位置的一个摆线控制器，在位于上直条框架边上的位置上固定有一个绕线滑轮。在上直条框架中空内腔的里侧壁面上设有一块向内凸起的厚肉平台，该平台供绕线滑轮的螺杆轴固定之用。在所说的上直条框架的一个侧立面上固定有与立面相互垂直的一根螺杆轴，在安装滑轮时，在此螺杆轴上先套入所述的绕线滑轮，然后再同轴套入一个紧固弹簧，最后再套入一个调节螺母。绕线滑轮与上直条框架的立面之间是呈相互面面贴合又维持可转动的紧贴摩擦状态。所述的绕线滑轮与上直条框架之间的贴紧程度，也就是两者之间的摩擦程度是由所述的调节螺母决定的。调节螺母旋紧时弹簧对滑轮的正压力增大，滑轮对上框的紧贴度也增大，相互之间的摩擦力就加大；反之，摩擦力就小。调节的作用是为摆线的尺寸定长。
[0023]在滑轮上缠绕摆线后，摆线先是通过绕线滑轮沿水平方向放出，然后横向引伸到所述上直条框架居中位置上固定的摆线控制器下垂。所述的摆线控制器是一个台阶形的中空柱体，它被紧定在上直条框架正中位置的水平顶面上，它有一个水平孔和一个垂直孔，此两孔是相互连通的，此两孔就是供摆线通过之用。
[0024]所述的摆架四个角件中位于底下的两个，其尺寸和重量明显要比居上的两个来的大而重，所以，整个电子围框的重心是偏下的。这就保证了整个实验仪器的稳定性。
[0025]在所述摆架的下直条框架的居中位置上固定有一个弧线刻度表。所述弧线刻度表的刻度线的位置与所述摆球的摆动是同心的。在静止状态下，自摆线控制器下垂的摆线是与重垂线重合的。
[0026]摆球和摆线在运动过程中不断切割和阻断二维红外坐标里的红外光射线，这就不断产生电子信息。这些数字信息通过电子电路和计算机软件的作用就可以在计算机显示屏上把摆球在运动中产生的运动轨迹的即时信息显示出来，计算机还可以把符合单摆运动规律的简谐运动的正弦波曲线也显示出来。因为单摆的周期是与摆线的长度成正比，不同的摆长，其振荡的周期和频率是不同的，显示出来的简谐运动的正弦波曲线也是不相同的。
[【附图说明】]
[0027]图1为本发明实施例的电路的系统框图。
[0028]图2为本发明实施例的系统的外接电源接口。
[0029]图3为本发明实施例的DC-DC电源电路。
[0030]图4为本发明实施例的单片机的引脚定义图。
[0031]图5为本发明实施例的单片机晶振电路。
[0032]图6为本发明实施例的单片机烧录接口。
[0033]图7为本发明实施例的存储模块电路图。
[0034]图8为本发明实施例主控板与两个红外发射板的2个连接接口。
[0035]图9为本发明实施例主控板与两个红外接收板的2个连接接口。
[0036]图10为本发明实施例中的红外发射板的左侧、上侧入口接口。
[0037]图11为本发明实施例中红外发射管的红外线发射电路。
[0038]图12为本发明实施例中具有数字信号整形功能的74HC14数字信号整形芯片。
[0039]图13为本发明实施例的红外发射板左侧、上侧级联接口。
[0040]图14为本发明实施例的红外接收板下侧、右侧入口接口。
[0041]图15为本发明实施例的红外接收管红外数字信号接收电路。
[0042]图16为本发明实施例级联芯片74HC595数据输出信号.引脚图。
[0043]图17为本发明实施例红外接收板整形电路。
[0044]图18为本发明实施例红外接收板下侧级联