专利名称：数字静电实验器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于测量静电电荷量的实验器，属于静电实验技术领域。
背景技术：
静电是中学物理教学内容中非常独特的一个部分，也是学生非常难以理解的一个部分。其独特在于这部分内容与其它部分的关联程度不大，相对孤立，且较为抽象；但又因为是中学物理教学中少有的能将学生导向原子物理乃至量子论的基础知识，静电内容不可或缺。由于静电的特性和传统实验仪器的限制，导致静电实验难做，致使学生难以理解。传统的静电计采用了 “电容式”结构，借助仪器本身构成了电容，因此，保持绝缘良好(包括空气干燥)和器材洁净，成为实验成功与否的关键。但由于实验环境的限制，实验中极容易受到空气湿度或温度的影响发生漏电，致使实验的成功率不高。传统的静电计还有两方面的缺陷，即没有量化的数据，只能通过指针偏的大小来定性的判断电荷的大小，也不能够区分电荷的极性。
发明内容本实用新型针对现有静电实验技术存在的不足，提供一种不受外部环境影响、能够显示电荷正负和进行定量研究的数字静电实验器。本实用新型的数字静电实验器采用以下技术方案:该数字静电实验器，包括信号调理电路、主控电路、液晶显示电路、电源电路、无线发射电路和无线接收模块；信号调理电路、主控电路、液晶显示电路和无线发射电路均与电源电路连接，信号调理电路与主控电路连接，液晶显示电路和无线发射电路均与主控电路连接，无线发射电路与无线接收模块之间采用蓝牙无线通讯连接；无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、USB接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与USB接口电路连接，无线接收电路、数据解析电路和USB接口电路均与供电电路连接。信号调理电路，包括感应头、电容C24、干簧管继电器U8、调零按键S1、高阻抗运算放大器U6和双运算放大器U9 ;感应头经过电阻R18连接至电容C24，电容C24 —端接地，另一端连接至运算放大器U6，运算放大器U6与双运算放大器U9连接，双运算放大器U9与主控电路中的单片机U2连接；干簧管继电器U8和调零按键SI组成调零电路，调零按键SI与干簧管继电器U8连接,干簧管继电器U8 —方面与电容C24的电压输出端连接，一方面接地。主控电路，包括单片机U2、下载接口和电池电量检测电路(电阻R30和R31);下载接口和电池电量检测电路均与单片机U2连接。液晶显示电路，包括IXD驱动器U5、液晶屏和场效应管Ql，液晶屏与IXD驱动器U5连接，场效应管Ql与液晶屏连接，IXD驱动器U5与主控电路中的单片机U2连接。电源电路，包括开关机电路、稳压电路、正负电源电路和基准源电路四部分；开关机电路由场效应管Q2和开关机按键S2 ;稳压电路使用稳压芯片U1，将由开关机电路输入的电源稳定为3.3V电压，为主控电路、液晶显示电路、无线通讯电路提供电源；正负电压电路采用正负电源芯片U7，输出±15V电压为信号调理电路提供正负电源；基准源电路采用基准源芯片U3，稳定输出纹波很小的2.5V电压为主控电路中的单片机内部ADC模块提供电压基准。无线发射电路，包括从蓝牙串口模块U4和场效应管Q4，从蓝牙串口模块U4与主控电路中的单片机U2连接，场效应管Q4与从蓝牙串口模块U4连接并与主控电路中的单片机U2连接。无线接收模块中的无线接收电路，包括主蓝牙串口模块U11、蓝牙配对指示灯D7以及配对按键S2，主蓝牙串口模块Ull与蓝牙配对指示灯D7连接，指示灯D7用于指示主蓝牙串口模块Ul I是否与从蓝牙串口模块配对成功，配对按键S2与主蓝牙串口模块Ul I相连。主蓝牙串口模块Ull接收到与之配对的从蓝牙串口模块U4发射的电磁波，并将其内部数据信息解析出来，发送给数据解析电路。无线接收模块中的数据解析电路，包括单片机UlO和程序下载接口 J3，程序下载接口与单片机Uio连接，用于单片机UlO的程序下载，单片机UlO用于接收主蓝牙串口模块Ull发送的数据，并进行数据解析。无线接收模块中的接口电路，包括瞬态抑制二极管TVSl和USB接口，瞬态抑制二极管TVSl连接USB接口和单片机U10，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口用于与外部计算机相连接。无线接收模块的供电电路，包括稳压芯片U12，用于将+5V电压稳压后输出+3.3V电压。将无线接收模块与计算机连接，打开电源开关，并轻按调零按键，使液晶屏显示为零。使用摩擦过的玻璃棒或橡胶棒靠近或接触输入端(感应头)，液晶屏将显示当前的静电电荷。计算机显示当前的电荷量及电荷量示波显示。本实用新型设置了大电容电路，电容量比传统静电计大了若干个量级，带电后的电势也相应降低，借助数字化的信号采集功能，可对静电实验中的数据进行动态实时显示和记录存储。不仅可以定量显示电荷的大小，而且可以显示电荷的正负，不受外部环境因素影响，使用可靠，具有极性指示、高灵敏度且灵敏度可调、定量研究、过程研究、可供大型演示使用等特点。
图1是本实用新型数字静电实验器的正面结构示意图。图2是本实用新型数字静电实验器的反面结构示意图。图3是本实用新型中信号调理电路的电路原理图。图4是本实用新型中主控电路的电路原理图。图5是本实用新型中液晶显示电路的电路原理图。图6是本实用新型中稳压电路的电路原理图。图7是本实用新型中开关机电路的电路原理图。图8是本实用新型中正负电源电路的电路原理图。图9是本实用新型中基准源电路的电路原理图。[0027]图10是本实用新型中无线发射电路的电路原理图。图11是本实用新型中无线接收模块的电路原理图。图12是本实用新型中无线接收模块的数据解析电路的电路原理图。图13是本实用新型中无线接收模块的USB接口电路的电路原理图。图14是本实用新型中无线接收模块的供电电路的电路原理图。其中:1、电源开关，2、调零按键，3、输入端，4、液晶屏，5、支架，6、地线插头，7、电池仓。
具体实施方式
本实用新型的静电实验器是一个包括信号调理电路、主控电路、液晶显示电路、电源电路、无线发射电路、无线接收模块和计算机软件在内的实验教学系统，其中信号调理电路、主控电路、液晶显示电路、电源电路和无线发射电路组成静电计。其中电源电路又包括稳压电路、开关机电路、正负电源电路、基准源电路。电源电路为整个电路提供电源，信号调理电路与主控电路连接，信号调理电路采集的各种信号送至主控电路进行处理，主控电路与液晶显示电路和无线发射电路连接，将处理好的数字信号在液晶屏显示并可通过串口接口送至无线发射电路。无线发射电路与无线接收模块之间采用蓝牙无线通讯，无线接收模块将实验数据上传至计算机，由计算机中的软件进行数据处理。静电实验器的外观如图1和图2所示，右侧设有电源开关1，右上方设有调零按键2，左上方设有输入端3，正面设置液晶屏4，底部设置有支架5。如图2所示，左面下部设有地线插口 6。静电计底面设置有电池仓7，电池仓7中安装的是标称3.7V的锂电池。附件有球形输入端、法拉第圆筒、锌板、屏蔽板。根据不同的实验可以更换不同的附件，法拉第圆筒可以做两种电荷实验，锌板可以用来做光电效应实验，球形输入端和屏蔽板组合可以用来做静电屏蔽实验。实验时，将无线接收模块与计算机连接，单击按下电源开关1，开启电源。按一下调零按键2，使液晶屏4的显示为零。带静电的物体接近或接触静电计的输入端3时，信号调理电路对电信号进行放大调整。由主控电路中的单片机U2进行处理并转化成数字信号，随后将信号数据在液晶屏4上进行显示，并通过无线发射电路发送出去。无线接收模块接收到信号后，由数据解析电路中的单片机UlO进行数据解析，并通过USB 口将解析数据上传到计算机。计算机将依据所获得数据实时显示静电电荷的大小，并可示波显示数据。测量和计算结果均通过计算机软件显示，并可通过人机交互进行原始测量结果的处理和应用。计算机软件采用VC++开发,安装运行于WindowsXP、Windows7等主流操作系统上，内置公式库和算法库，支持中学物理实验数据处理的需求。信号调理电路如图3所示，主要包括感应头、基丙烯电容C24、干簧管继电器U8、调零按键SI (即图1中的调零按键2)、高阻抗运算放大器U6 (INA116UA)和双运算放大器U9(TL062)。电容C24为基丙烯电容，电容量为lOOOOpF，聚丙烯电容无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。基于以上的优点，可以有效保证电容存贮的电荷不会在短时间内漏没。感应头经过电阻R18连接至基丙烯电容C24，当带有静电的物体接近或接触感应头(输入端)时，电荷将对电容C24进行充电，在电容C24的两端会形成电势差。由C=Q/U可知，电容C24两端的电压U与流入的电荷Q成正比。电容C24—端接地，另一端连接至运算放大器U6 (INA116UA), INA116UA的输入阻抗大于1015Ω，漏电流极小，因此可以保证电容C24的电荷不会很快流失。经过运算放大器U6的阻抗转换后的信号输入至双运算放大器U9进行放大、调整，以符合单片机U2的ADC的输入要求。INAl 16UA的输出脚经过R24、R27电阻分压后连接至双运算放大器U9 (TL062)。信号经双运算放大器U9放大后由第7脚输出至主控电路。因为电容中电荷很难漏掉，为了能够快速进行重复试验，因此增加了调零电路，调零电路由调零按键SI和干簧管继电器U8组成，调零按键SI与干簧管继电器U8连接，干簧管继电器U8的I脚与聚丙烯电容C24的电压输出端连接，干簧管继电器U8的3、4脚接地。当调零按键SI按下时，干簧管继电器U8的2脚会有电压输入，干簧管继电器U8的I脚便会在内部与地连接，基丙烯电容C24中的电荷便会很快流掉。主控电路如图4所示，包括单片机U2 (C8051F410)、下载接口和电池电量检测电路(电阻R30和R31)。信号调理电路的输出信号连接至单片机U2的第29脚，此脚被单片机程序配置为单片机ADC的输入脚，单片机U2对信号进行AD采样。下载接口和电池电量检测电路均与单片机U2连接。单片机U2的第21、22串口管脚连接至无线发射电路。单片机U2的第17、18、19、20脚连接至液晶显示电路。单片机U2处理后的数据可以在液晶屏上进行显示，也可以通过无线发射电路传输至无线接收模块。电阻R30和R31对锂电池电压分压后连接至单片机U2 的第24脚，第24脚配置成ADC的输入脚，单片机U2进行AD采样后判断锂电池的电量数据，并将电量信息在液晶屏上显示，当电量低于最小阀值时，单片机U2将关闭电源电路。单片机U2通过第16脚控制无线发射电路的电源通断。液晶显示电路如图5所示，主要包括IXD驱动器U5 (段式液晶屏驱动芯片HT1621B)、液晶屏(定制的段式液晶屏Icdl)和场效应管Ql (A03401)。HT1621B是128点、内存映像和多功能的LCD驱动器，HT1621B的第9、10、11、12脚连接至单片机似，!11'16218的SEG[0:19]依次连接至液晶屏的SEG[0:19]引脚，单片机U2将显示的数据传输至HT1621B，HT1621B实现对段式液晶屏的显示刷新。场效应管Ql与液晶屏背光板连接，液晶屏的背光通过场效应管Ql被单片机控制，场效应管Ql (A03401)的LCD_EN信号线连接至单片机U2，可以控制液晶屏背光的売灭。电源电路的稳压电路如图6所示，主要包括稳压芯片U1(LTC3440EMS)。稳压芯片Ul及周围电路可以经电源输入转化为稳定的3.3V电压，为整个其它电路提供3.3V电源。电源电路的开关机电路如图7所示，主要包括I节3.7V标称锂电池BTl、场效应管Q2。锂电池BTl连接至开关机电路，当开关机按键S2按下时，开机电路使场效应管Q2导通，同时将按键信号传至单片机U2的Pl.6脚，单片机U2检测到按键信号，通过Pl.5脚控制场效应管Q2状态锁定，完成开机。当开关机按键再次按下时，单片机U2检测到按键信号，控制Pl.5脚，使场效应管Q2截止，完成关机。电源电路的正负电路如图8所示，采用正负电源芯片U7 (LTC1945)。正负电源芯片U7可以稳定输出土 15V电压，为信号调理电路中运算放大器U6和双运算放大器U9提供正负电源。电源电路的基准源电路如图9所示，主要包括基准源芯片U3(ADR391AUJZ)。基准源芯片U3可以输出纹波很小的2.5V电压，输出连接至单片机U2的第11脚(VREF脚)，为单片机U2内部的ADC电路提供稳定的基准源，保证ADC采样值得准确稳定。无线发射电路如图10所示，主要包括从蓝牙串口模块U4和场效应管Q4。从蓝牙串口模块U4的第1、2脚与单片机U2第21、22脚连接。场效应管Q4与从蓝牙串口模块U4的12脚连接并与主控电路中单片机U2的16脚连接。场效应管Q4被单片机U2的16脚控制以灵活开关蓝牙模块的电源。无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、USB接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与USB接口电路连接，无线接收电路、数据解析电路和USB接口电路均与供电电路连接，供电电路为其它电路提供电源。无线接收模块的无线接收电路如图11所示，包括主蓝牙串口模块U11、蓝牙配对指示灯D7以及配对按键S2。主蓝牙串口模块Ull接收到与之配对的从蓝牙串口模块发射的2.4GHz电磁波，并将其内部数据信息解析出来，通过串口接口发送给数据解析电路。主蓝牙串口模块Ull与蓝牙配对指示灯D7连接，指示灯D7用于指示主蓝牙串口模块是否与从蓝牙串口模块配对成功。配对按键S2与主蓝牙串口模块Ull的第26脚相连，按下时主蓝牙串口模块Ull将重新搜索从蓝牙串口模块U4,自动配对。无线接收模块的数据解析电路如图12所示，主要包括单片机UlO和程序下载接口J3。单片机UlO用于接收主蓝牙串口模块发送的数据，并将其进行数据解析，再通过接口电路上传至计算机。程序下载接口连接至单片机UlO的第13、14脚，用于单片机UlO的程序下载。无线接收模块的接口电路如图13所示，主要包括瞬态抑制二极管TVSl和USB接口。瞬态抑制二极管TVSl连接USB接口和单片机UlO的第8、9脚，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口与计算机相连接。无线接收模块的供电电路如图14所示，主要包括稳压芯片U12，+5V电压连接稳压芯片U12的第1、3脚，经其稳压后从第5脚输出+3.3V电压。上述静电实验器的实验模式如下所述:将无线接收模块接入计算机，打开电源开关1，并轻按调零按键2，此时液晶屏4显示为零。开机时液晶屏4上的无线标示闪烁，当无线发射电路与无线接收模块配对完毕，无线标示亮起不再闪烁。使用丝绸摩擦过的玻璃棒或者毛皮摩擦过的橡胶棒靠近或接触输入端(感应头)，液晶屏4将显示当前的静电电荷。打开计算机专用软件，点击“开始记录”，计算机软件开始显示当前的电荷量，点击“示波”按钮，电荷量示波显示。本实用新型具有以下的特点:1、极性指示:当需要判断极性时，传统静电计必须有一个参考电荷，而本实用新型静电计可以直接指示极性。2、高灵敏度且灵敏度可调:本实用新型的灵敏度显著高于传统静电计且灵敏度可以调整，静电实验的范围可以因测量工具的升级而扩大。3、定量研究:本实用新型的一个重要优势在于有线性标度，与只能粗略测量的传统静电计相比，精度更高。因此可以用本实用新型来验证物理定律是线性还是指数关系。这使得实验中脱离了定性观察状态，进入到了测量、分析阶段。不仅可以定量显示电荷的大小，而且可以显示电荷的正负。4、过程研究:本实用新型可以借助示波显示方式实时动态地展示、记录静电实验的过程。[0058]5、可供大型演示使用:与计算机相连，专用软件有数字、示波、仪表等多种显示模式，可与投影、白板等现代化电教手段联用。
权利要求1.一种数字静电实验器，包括信号调理电路、主控电路、液晶显示电路、电源电路、无线发射电路和无线接收模块；其特征是:信号调理电路、主控电路、液晶显示电路和无线发射电路均与电源电路连接，信号调理电路与主控电路连接，液晶显示电路和无线发射电路均与主控电路连接，无线发射电路与无线接收模块之间采用蓝牙无线通讯连接；无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、USB接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与USB接口电路连接，无线接收电路、数据解析电路和USB接口电路均与供电电路连接。
2.根据权利要求1所述的数字静电实验器，其特征是:所述信号调理电路包括感应头、电容C24、干簧管继电器U8、调零按键S1、高阻抗运算放大器U6和双运算放大器U9 ;感应头经过电阻R18连接至电容C24，电容C24 —端接地，另一端连接至运算放大器U6，运算放大器U6与双运算放大器U9连接，双运算放大器U9与主控电路中的单片机U2连接；干簧管继电器U8和调零按键SI组成调零电路，调零按键SI与干簧管继电器U8连接，干簧管继电器U8 一方面与电容C24的电压输出端连接，一方面接地。
3.根据权利要求1所述的数字静电实验器，其特征是:所述主控电路，包括单片机U2、下载接口和电池电量检测电路；下载接口和电池电量检测电路均与单片机U2连接。
4.根据权利要求1所述的静电实验器，其特征是:所述液晶显示电路，包括LCD驱动器U5、液晶屏和场效应管Q1，液晶屏与IXD驱动器U5连接，场效应管Ql与液晶屏连接，IXD驱动器U5与主控电路中的单片机U2连接。
5.根据权利要求1所述的数字静电实验器，其特征是:所述无线发射电路，包括从蓝牙串口模块U4和场效应管Q4，从蓝牙串口模块U4与主控电路中的单片机U2连接，场效应管Q4与从蓝牙串口模块U4连接并与主控电路中的单片机U2连接。
6.根据权利要求1所述的数字静电实验器，其特征是:所述无线接收模块中的无线接收电路，包括主蓝牙串口模块Ul1、蓝牙配对指示灯D7以及配对按键S2，主蓝牙串口模块Ull与蓝牙配对指示灯D7连接，指示灯D7用于指示主蓝牙串口模块UlI是否与从蓝牙串口模块配对成功，配对按键S2与主蓝牙串口模块Ull相连；主蓝牙串口模块Ull接收到与之配对的从蓝牙串口模块U4发射的电磁波，并将其内部数据信息解析出来,发送给数据解析电路。
7.根据权利要求1所述的数字静电实验器，其特征是:所述无线接收模块中的数据解析电路，包括单片机UlO和程序下载接口 J3，程序下载接口与单片机UlO连接，用于单片机UlO的程序下载，单片机UlO用于接收主蓝牙串口模块Ull发送的数据，并进行数据解析。
8.根据权利要求1所述的数字静电实验器，其特征是:所述无线接收模块中的接口电路，包括瞬态抑制二极管TVSl和USB接口，瞬态抑制二极管TVSl连接USB接口和单片机U10，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口用于与外部计算机相连接。
专利摘要本实用新型提供一种数字静电实验器，包括信号调理电路、主控电路、液晶显示电路、电源电路、无线发射电路和无线接收模块；信号调理电路、主控电路、液晶显示电路和无线发射电路均与电源电路连接，信号调理电路与主控电路连接，液晶显示电路和无线发射电路均与主控电路连接，无线发射电路与无线接收模块之间采用蓝牙无线通讯连接；本实用新型设置了大电容电路，带电后的电势也相应降低，借助数字化的信号采集功能，可对静电实验中的数据进行动态实时显示和记录存储。不仅可以定量显示电荷的大小，而且可以显示电荷的正负，不受外部环境因素影响，使用可靠，具有极性指示、高灵敏度且灵敏度可调、定量研究、过程研究、可供大型演示使用等特点。
文档编号G01R29/24GK203055270SQ201220669078
公开日2013年7月10日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者冯容士, 赵进, 李鼎 申请人:山东省远大网络多媒体股份有限公司