一种多功能电火花打点计时器的制作方法

本实用新型涉及教学实验仪器领域，特别是一种多功能电火花打点计时器。

背景技术：

目前中学物理实验在研究物体在力学轨道上的运动情况时采用电火花打点计时器，其输入电源是50Hz的交流电，该计时器产生电火花的周期是20ms固定不变的，可以用于较高运动速度时的加速度计算，但对于运动速度较低的加速度计算则会产生较大的误差；虽然目前有用单片机开发出频率可以调整的电火花打点计时器来解决低速运动的加速度计算误差问题，但该电火花打点计时器仍然不能解决瞬时速度的测量计算问题，物体运动时瞬时速度的测量需要在气垫导轨中用光电门实现。总体来说，目前电火花打点计时器的设备中没有同时实现加速度与瞬时速度的测量方法；初中物理斜面小车采用秒表和刻度尺测物体在斜面上下滑的平均速度误差较大。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中，提出一种数字化的定点变频及频率可连续调整的多功能电火花打点计时器，利用单片机、霍尔开关模块及磁铁完成运动物体平均速度、瞬时速度及加速度的测量。

本实用新型采用如下技术方案：

一种多功能电火花打点计时器，包括：开关电源模块、单片机、按键组单元、显示屏、高压电火花模块、电磁铁模块和霍尔开关组；所述开关电源模块输入端与220V市电相连，其输出端与所述单片机和所述高压电火花模块分别相连以提供直流电源；所述按键组单元包括频率调整键、变频/调频/霍尔模式设定键、设定定点打点位置的定点设定键、启动电磁铁模块的启动键及与霍尔开关组配合的计时设定键；所述按键组单元与所述单片机相连以进行对应的设置；所述霍尔开关组与所述单片机相连以输出第一开关信号；所述高压电火花模块与所述单片机相连以接收脉冲信号并产生电火花；所述电磁铁模块包括相连的驱动电路和电磁铁，所述驱动电路与所述单片机相连以接收第二开关信号并驱动所述电磁铁失去磁性；所述显示屏与所述单片机相连。

优选的，所述电火花打点计时器还包括内嵌磁铁的轨道小车；所述电磁铁与所述轨道小车通过磁连接。

优选的，所述轨道小车内嵌有双磁铁。

优选的，所述霍尔开关组包括至少一个霍尔开关模块，所述霍尔开关模块经所述轨道小车的磁铁感应后输出第一开关信号至单片机。

优选的，所述开关电源模块包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端与所述单片机相连以提供5V直流电源，所述第二输出端与所述高压电火花模块相连以提供12V直流电源。

优选的，所述高压电火花模块包括依次相连的高压驱动单元、电火花高压发生器和放电针；所述高压驱动单元与所述开关电源模块的第二输出端和所述单片机分别相连。

优选的，通过变频/调频/霍尔模式设定键将所述单片机设置为变频模式时，所述单片机输出不同周期的双脉冲信号使高压电火花模块在纸带打上两组双火花点。

优选的，通过变频/调频/霍尔模式设定键将所述单片机设置为调频模式时，单片机输出信号的周期设定范围为1至999Hz，默认为50Hz。

由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型的电火花打点计时器用霍尔开关组与单片机解决了测平均速度与瞬时速度的问题，提升了斜面小车物理实验的精度及操作的便捷性；并可取代光电门测瞬时速度，可以有效防止光电门被撞歪的现象发生；

(2)本实用新型通过变频/调频/霍尔模式设定键将所述单片机设置为变频模式，并通过定点设定键设置若干定点并调整适当的时间间隔，则单片机可以分别输出不同周期的双脉冲信号使高压电火花模块分别在纸带打上两组或两组以上的双火花点以获取运动物体(轨道小车)在不同定点的瞬时速度；

(3)本实用新型通过变频/调频/霍尔模式设定键将所述单片机设置为调频模式，高压电火花模块在纸带上按设定周期打点，通过逐差法可获取运动物体(轨道小车)运动的加速度、速度；

(4)本实用新型通过变频/调频/霍尔模式设定键将单片机设置为霍尔测速模式，轨道小车在轨道下滑时无需带动纸带，可获取运动物体(轨道小车)的瞬时速度和平均速度；

(5)本实用新型通过变频/调频/霍尔模式设定键将单片机设置为霍尔测速、通过定点设定键设定霍尔测速与变频双模式，轨道小车带动纸带在轨道下滑，可获取运动物体(轨道小车)在各个定点的瞬时速度和平均速度，通过屏幕显示的霍尔测速结果来验证纸带的计算，减小计算错误或实验误差。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种多功能电火花打点计时器不局限于实施例。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的外部结构图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

参见图1和图2所示所示，本实用新型一种多功能电火花打点计时器，包括：开关电源模块1、单片机2、按键组单元3、显示屏4、高压电火花模块5、电磁铁模块6和霍尔开关组7；所述开关电源模块1输入端与220V市电11相连，其输出端与所述单片机2和所述高压电火花模块5分别相连以提供直流电源；所述按键组单元3包括频率调整键、变频/调频/霍尔模式设定键、设定定点打点位置的定点设定键(可以设定多点)、启动电磁铁模块6的启动键及与霍尔开关组7配合的计时设定键；所述按键组单元3与所述单片机2相连以进行对应的设置；所述霍尔开关组7与所述单片机2相连，所述霍尔开关组7包括若干个霍尔模块，所述霍尔模块设有磁感应开关指示灯12，所述霍尔模块受到一定的磁场感应时输出信号至单片机2的输入端；所述高压电火花模块5与所述单片机2相连以接收脉冲信号并产生电火花；所述电磁铁模块6包括相连的驱动电路61和电磁铁62，所述驱动电路61与所述单片机2相连以接收第二开关信号并驱动所述电磁铁62失去磁性；所述显示屏4与所述单片机2相连。

所述电火花打点计时器还包括内嵌磁铁的轨道小车；所述电磁铁62与所述轨道小车通过磁连接。进一步的，所述轨道小车内嵌有双磁铁，测量两次触发信号的时间差。

所述开关电源模块1包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端与所述单片机2相连以提供不小于1A和5V直流电源，所述第二输出端与所述高压电火花模块5相连以提供不小于1A和12V直流电源。

所述单片机2作为控制的核心元件内部写入控制程序，通过按键组单元3的不同组合在显示屏4显示不同的工作模式；用来获取按键组单元3的开关信号和霍尔开关组7的输入信号，通过输出启动信号释放电磁铁62、输出变频或调频脉冲信号控制高压电火花模块5输出高压电弧。

所述按键组单元3包括：选择变频/调频/霍尔的调频模式和频率调整+-按钮，确定电火花打点的周期；选择变频/调频/霍尔的变频模式，按下定点按钮选择待测点再调整频率+-按钮，确定测试点双脉冲的周期；按下启动按钮释放电磁铁62；按下计时按钮，测试物体运动到指定点的反应时间。

所述显示屏4与所述单片机2相连以显示电火花打点的频率、显示定点的位置、显示在定点模式下的平均速度各个点的瞬时速度及显示按键组单元3的控制状态等；所述显示屏4可以是OLED、LCD或COG等液晶屏。

所述高压电火花模块5包括依次相连的高压驱动单元51、电火花高压发生器52和放电针53；所述高压驱动单元51与所述开关电源模块1的第二输出端和所述单片机2分别相连。所述单片机2输出小信号脉冲经过所述高压驱动单元51电流放大驱动所述电火花高压发生器52产生高压电弧通过放电针53击穿空气产生电火花。

所述电火花打点计时器还包括导电片10、纸带8和墨粉纸盘9；所述导电片10为连接在所述电火花高压发生器52与所述放电针53之间的连接件，所述放电针53通过高压电弧向下方的纸带8及墨粉纸盘9放电，纸带8下方的墨粉盘在纸带8上打点；所述纸带8与轨道小车连接。

来自所述单片机2输出的小功率开关信号通过电磁铁62驱动电路61驱动电磁铁62，电磁铁62失去磁性后释放轨道小车。

所述霍尔开关组7包括至少一个霍尔开关模块，所述霍尔开关模块经所述轨道小车的磁铁感应后输出第一开关信号至单片机2，作为计时信号。

本实用新型一种多功能电火花打点计时器的应用及原理如下：

(1)定点变频打点：通过变频/调频/霍尔模式设定键将单片机2设置为变频模式，通过定点设定键设置两定点A和B，选择A点调整适当的时间间隔、选择B点调整适当的时间间隔，则单片机2可以分别输出不同周期的双脉冲信号使电火花高压模组通过放电针分别在外部纸带上打上两组双火花点。具体的，按下启动按钮电磁铁62释放轨道小车，轨道小车带动纸带运动，当内嵌磁铁的轨道小车经过设置点A时，磁铁触发霍尔开关模块，霍尔开关模块输出上升沿信号触发单片机2，单片机2根据触发的顺序输出预设的双脉冲信号，经高压驱动单元51输出大电流的脉冲信号启动电火花高压发生器52，输出的高压脉冲通过放电针53产生火花，形成电弧击穿空气，通过墨粉盘在纸带上打上双脉冲点。可通过刻度尺测量纸带上两火花点的距离△S和预设的时间间隔△t，则A点的瞬时速度是v＝△S/△t；设置点B的测量原理一致。

(2)频率可调打点：通过变频/调频/霍尔模式设定键将单片机2设置为变频模式，单片机2输出信号的周期可以设定1-999Hz，开机默认50Hz。具体的，按下启动按钮电磁铁62释放轨道小车，单片机2输出预定周期的脉冲信号，轨道小车带动纸带运动，高压电火花模块5在纸带上按设定周期打点。可采用逐差法计算轨道小车运动的加速度。

(3)霍尔测速：通过变频/调频/霍尔模式设定键将单片机2设置为霍尔测速模式，通过定点设定键设置两定点A和B，轨道小车在轨道下滑时无需带动纸带。具体的，按下启动按钮电磁铁62释放轨道小车，单片机2启动计时功能，轨道小车运动，当轨道小车内嵌的磁铁经过A点的霍尔开关时，霍尔模块上的开关指示灯12亮时按下计时按钮记录此时的时刻T1，同时单片机2记录磁铁经过霍尔开关的时间，即记录磁铁经过A点霍尔开关模块输出的上升沿及下降沿信号的时间差△t(屏幕显示)。计算瞬时速度，用刻度尺测量磁铁到达A点霍尔开关指示灯12亮的起点和磁铁离开霍尔开关指示灯12熄灭的距离△S，从显示屏4查看磁铁经过A点霍尔开关的时间△t，则A点的瞬时速度v＝△S/△t；B点的同理，但此时按下达到B点的时间是T2。计算平均速度，用刻度尺测量AB两点的距离S，查看屏幕计算经过A点的时刻T1和经过B点的时刻T2，则经过AB两点的时间t＝T1-T2，平均速度则v＝S/t。

(4)霍尔测速与电火花打点计时器：通过变频/调频/霍尔模式设定键将单片机2设置为霍尔测速与定点变频双模式，通过定点设定键设置两定点A和B，轨道小车带动纸带在轨道下滑。具体的，按下启动按钮电磁铁62释放轨道小车，单片机2启动计时功能的同时电火花打点计时器工作在变频输出双脉冲的模式下，当轨道小车内嵌的磁铁经过A点的霍尔开关时，单片机2记录磁铁经过A点时霍尔开关模块的上升沿t1时刻，同时霍尔开关指示灯12亮按下计时按钮记录此时的时刻T1。同理轨道小车经过B点时，单片机2记录磁铁经过B点时霍尔开关模块的上升沿t2时刻，同时霍尔开关指示灯12亮按下计时按钮记录此时的时刻T2，以此计算误差。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。