一种密立根油滴实验仪的调节装置、调节系统和调节方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及密立根油滴实验技术领域，具体地说涉及一种能自动调节密立根油滴实验仪CCD传感器角度的密立根油滴实验仪的调节装置、调节系统和调节方法。
【背景技术】
[0002]密立根油滴实验仪是一种常用的大学物理实验仪器，其工作原理如下:通过测量带电油滴的平衡电压和下落速度，利用公式计算出多个油滴的带电量，并计算这些带电量的最大公约数，最终计算出自然界中元电荷数值，证明元电荷的存在。
[0003]目前的密立根油滴实验仪的使用方法是:实验人员先向储油盒中喷入大量油滴，再使用摄像探头在储油盒中寻找油滴，找到合适的油滴后，分别测出油滴的平衡电压和油滴垂直下落时的下落速度。
[0004]传统的密立根油滴实验仪大多使用基于CCD传感器的摄像探头采集油滴图像，并通过显示器对油滴进行观察，在实验过程中，需要手工调节摄像探头在储油盒中的位置，以能够找到不同焦距处的清晰的油滴。在摄像探头的调节过程中，CCD传感器的旋转角度会由于环境中的震动和操作过程中的触碰等原因发生变化，使得屏幕上的油滴不能垂直下落，而是在屏幕中倾斜下落，使实验人员无法根据刻度准确测量下落速度。所以，实验人员只能手工调节CCD传感器的旋转角度，使得屏幕上的油滴垂直下落，但是这种方法有以下几个缺点:1、CCD传感器较小，其通过导线连接到实验仪器的其他部件，实验人员在调节的过程中，往往会调节很大的幅度，导致CCD传感器的连接线容易受力受损，所以实验人员常常需要拔下导线来调整CCD传感器的角度，十分不方便;2、在手工调节传感器角度的过程中，角度需要精细的调节，但由于实验人员的感官差异会使调节角度不准确，影响测量结果的精度;3、实验过程中需要不断改变摄像探头的位置，容易使得CCD传感器的旋转角度发生微小变化，这时需要实验人员重新调整，带来使用的不便。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种能自动调节密立根油滴实验仪CCD传感器角度的密立根油滴实验仪的调节装置、调节系统和调节方法，该密立根油滴实验仪的调节装置可以调节密立根油滴实验仪，使之可根据显示屏中油滴的下落轨迹自动调整CCD传感器的角度，使得油滴可以时刻保持在显示器中垂直下落，增加测量结果的精度和仪器的易用性；以解决目前密立根油滴实验过程中手工调节CCD传感器带来的各种弊端。
[0006]为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:
一种密立根油滴实验仪的调节装置，包括储油盒、CXD传感器、和C⑶传感器连接一体的摄像探头、支架、步进电机、主皮带轮、副皮带轮;所述CCD传感器、摄像探头设置在副皮带轮上且活动架设在支架上，所述主皮带轮与副皮带轮通过皮带传动连接，所述步进电机与主皮带轮传动连接。
[0007]本发明另外提供了调节控制上述密立根油滴实验仪的调节装置的调节系统，该调节系统包括VGA显示屏、基于CCD传感器的图像获取模块、基于可编程芯片的图像处理和电机驱动模块、基于步进电机的角度调节模块，所述基于CCD传感器的图像获取模块分别和基于步进电机的角度调节模块、基于可编程芯片的图像处理和电机驱动模块相桥接；
所述基于CCD传感器的图像获取模块包括CCD传感器、摄像探头和视频解码芯片，所述摄像探头、CCD传感器和所述视频解码芯片依次相连;所述摄像探头对准储油盒内部，用于捕捉下落油滴图像;所述CCD传感器把捕捉到的光信号转换成电信号，并输出符合PAL制式的视频图像，所述视频解码芯片把得到的原始视频转化成BT656格式后将其输出；
所述基于可编程芯片的图像处理和电机驱动模块包括可编程芯片和配电系统，所述可编程芯片与视频解码芯片、配电系统、基于步进电机的角度调节模块相连接并通过VGA驱动模块与VGA显示屏连接;所述可编程芯片将获取的BT656格式的视频进行处理，转化成RGB格式视频，然后并行完成两部分工作:(I)通过VGA驱动模块完成下落油滴图像在VGA显示屏中的显示；(2)将RGB格式视频图像转化成灰度图，并对灰度图进行分析处理，根据处理结果输出步进电机的控制信号，通过基于步进电机的角度调节模块调节摄像探头的角度;所述配电系统为可编程芯片提供工作电源；
所述基于步进电机的角度调节模块为用于自动调节CCD传感器的自动密立根油滴实验仪的调节装置，包括步进电机和支架、主皮带轮、副皮带轮，所述步进电机与主皮带轮、可编程芯片连接，所述CCD传感器、摄像探头设置在副皮带轮上且活动架设在支架上;所述步进电机在得到图像处理和电机驱动模块输出的控制信号后，通过皮带带动副皮带轮上的CCD传感器转动，以此调节CCD传感器的角度。
[0008]作为对上述技术方案的改进，所述调节系统还包括DDR存储器，所述DDR存储器与可编程芯片连接，可进行数据存储。
[0009]作为对上述技术方案的改进，所述可编程芯片为FPGA可编程芯片。
[0010]本发明另外提供了一种基于上述调节系统对上述密立根油滴实验仪的调节装置进行调节的自动调节方法，该自动调节方法的步骤为:
51、在储油盒中没有喷入油滴的时候，用摄像探头获取一帧图像，作为背景图像，记为图像A;
52、向储油盒里喷入油滴，在油滴下落过程中，用摄像探头任意拍摄相邻两帧下落油滴的视频图像，记为图像B和图像C;
53、利用可编程芯片开发的图像处理模块对图像A，B，C进行滤波、灰度化处理，分别用图像B和图像C像素的灰度值减图像A中相同位置像素的灰度值，如果所减差值小于设定阈值，则该像素为背景像素点，如果差值超过了所设置的阈值，则该区域为油滴，将这些区域标记下来，就可以分别得到图像B和图像C中油滴的位置；
54、对图像B和C中像素值进行二值化处理，图像中油滴所在区域的像素记为I，无油滴区域的像素记为0，这样就得到二值化后的图像D和图像E，由于在储油盒中有很多油滴，所以图像D和E中包含多个值为I的连通域，分别记为LD=(aD, bD, cd, cId…)其中aD, bD, Cd,cId...为图像D中的众多连通域，和LE=(aE，bE, ce, cIe...)其中aE, bE, ce, cIe…为图像E中的众多连通域，每一个连通域即对应着一颗油滴;对二值化后的两张图像中所有相同位置的像素的值进行逻辑或运算，得到的结果记为图像F;在F中，所有值为I的像素构成许多个连通域，记为LF=(aF，bF, Cf, dF…)，对三张图像所有相同位置的像素值进行对比:(1)如果XD= XE =XF，其中，即三个图像相同位置处的连通域完全重合，说明这颗油滴下落速度太慢，在相邻两帧图像中的位置几乎没有发生变化;(2)如果说明这颗油滴在图像D和E中油滴区域是部分重合的，也就是说F中像素值为I的连通区域为这颗油滴在两帧图像中所扫过的区域;其他情况均无法证明图像D，E中的连通域为同一个油滴;在图像F中挑选一个满足情况(2)的连通域，则在D和E中共同属于这个连通域的油滴即为同一颗油滴;经过此，即可确定图像D和E中哪两个连通域为同一颗油滴，且此油滴下落速度适中，保证在相邻两帧图像中有相对位置变动；
55、利用可编程芯片的计算模块对图像建立坐标系，图像的水平像素位置为X轴，垂直像素位置为Y轴，因为在步骤四中已经找到了同一颗油滴在两张图像中的位置，分别在这两张图像中选取满足条件的连通域中坐标X为最小的像素点，若不止一个像素点，则在这些像素点中再选出y最小的像素点，将它们作为参考像素点，标记图像D和E中参考像素点的坐标SES(xl，yl)，(x2，y2);
56、分别比较xl和x2，yl和y2的大小，(I)若y2>=yl，说明摄像探头角度偏差不超过90度，则分三种情况，a:Xl〈X2，可编程芯片输出信号驱动步进电机，使摄像探头逆时针转动；b:xl>x2,可编程芯片输出信号驱动步进电机，使摄像探头顺时针转动;c:xl=x2，则油滴在显示器中垂直下落，无需调节；(2)y2〈yl，说明摄像探头角度偏差超过90度，则分三种情况，a:Xl〈X2，可编程芯片输出信号驱动步进电机，使摄像探头逆时针转动;b:xl>x2，可编程芯片输出信号驱动步进电机，