专利名称：简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演不仪,是一种基于LED点阵的物理学原理演示设备。
背景技术：
在高校物理课堂上有关振动的合成的课程中，尽管有flash动画演示效果，但对于抽象的振动的合成仍然难以让同学们理解。而现有的能够演示振动过程的设备，普遍采用激光模拟和机械直接演示，它们都不能演示振动的合成的过程，只能提供静态的画面，并且也无法演不偏振光的合成。现在市场上的振动合成的演示仪，一般是激光模拟的或机械直接演示的。机械传动类演示仪器，体积较大，成本较高，虽可演示一些简谐振动合成的过程，但演示时间较长且不可调整，若在课堂上演示的话将会耽误上课时间。激光模拟类演示，只是给人一幅图画，让人无法感受合成的过程。现在许多高校都在进行偏振光演示的研究，但总体上都是基于光的线偏振化，然后进行直接演示，但这样得到的仅仅是个图像，并不能演示偏振光的矢端运动过程。另外，对于光的五种偏振态比较分析的演示，研究者很少。现在许多研究者实现了用Visual C++编程来演示简谐振动的合成，但是这种方式并不能演示简谐振动的合成过程，更无法演示光的五种偏振态
发明内容
本发明提出了如下的技术方案:简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，包括LED点阵屏显示模块、控制模块和指令输入模块；所述LED点阵屏显示模块包括LED点阵屏，用于显示图像；所述指令输入模块用于根据用户的输入向控制模块发送控制指令，所述控制指令包括演示预定图像或演示预定过程的指令；所述控制模块用于接收指令输入模块发送的控制指令，并根据所述控制指令控制LED点阵屏中的若干个LED灯显示预定图像，所述预定图像包括简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态和偏振光光矢端运动过程。本发明能够直观的演示出简谐振动的合成过程和光的五种偏振态，让初学者更好的理解简谐振动和偏振光的合成这一抽象知识点；并且可以让学生亲自动手操作，以及根据自己的要求选择所要演示的图形；还能够演示不同频率的振动动态的合成过程，以及偏振光的光矢端运动过程。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:图1为本发明提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的结构示意图；图2为本发明提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的程序执行示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供了一种简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，如图1所示，包括LED点阵屏显示模块、控制模块和指令输入模块；所述LED点阵屏显示模块包括LED点阵屏，用于显示图像；所述指令输入模块用于根据用户的输入向控制模块发送控制指令，所述控制指令包括演示预定图像或演示预定过程的指令；所述控制模块用于接收指令输入模块发送的控制指令，并根据所述控制指令控制LED点阵屏中的若干个LED灯显示预定图像，所述预定图像包括简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态和偏振光光矢端运动过程。具体的，现有LED点阵屏的控制电路的实现方式一般有两种:可编程器件和单片机。可编程器件完全硬件实现控制逻辑，速度较快，主要用于大尺寸LED屏或同步屏。单片机使用软件实现控制逻辑，速度相对较慢，一般可用于小尺寸的异步屏，但是单片机可灵活方便的实现一些特殊功能。因此，在本具体实施方式
中采用一片MC9S12XS128单片机作为控制模块，即可实现对LED屏的控制，直接用于控制的端口只需12位，其余端口可作为扩展其他功能使用。采用MC9S12XS128单片机控制主要是考虑程序所占的空间较大，而该单片机有64K的程序存储器，可满足程序设计的需要。LED点阵屏可采用64行X64列的LED灯点阵，控制电路使用74HC595的串行移位寄存器作为MC9S12XS128单片机IO 口的扩展，即通过串行通信来传输数据，并行口来输出数据，这样大大的节省了单片机的IO 口 ；使用4514译码器进一步扩展IO 口，使用达林顿管驱动64个LED灯，进而驱动控制64行绿灯和64行红灯，从而实现IO 口的扩展和LED灯的高亮度。另外，由于同时点亮LED灯的数量太多，电流太大，故对几个电流较大的芯片分别单独使用稳压芯片7805供电，共使用了 7片7805供电。指令输入模块主要是由4个按键和4X4的矩阵键盘由单片机的1210 口控制。其中4X4的矩阵键盘分别控制简谐振动合成的16种图形和偏振光干涉的图形，另外的4个按键，作为总开关类的控制，分别可选择为简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态图、偏振光光矢端运动过程。本具体实施方式
提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的工作原理是:首先按照发明目标，对电路进行了调查研究，并进行了一些实际的测试，然后绘出原理图。控制LED点阵屏64列可使用单片机的4个IO 口，经过串行传输数据，并一位一位的向后移动，最终并行输出64个数据；控制LED 点阵屏64行可使用单片机的8个IO 口，经过串行传输数据，最终并行输出16个数据，控制8个4-16译码器，译码器把数据译为控制绿灯的64行和控制红灯的64行；达林顿管放大电路用于驱动LED点阵灯，使LED灯有足够的亮度；供电稳压电路是考虑到驱动电路电流较大，故给每三个达林顿管配给一个稳压电源；MC9S12XS128单片机的核心控制模块，使用了 PORTA、PORTB、PORTE 口，分别控制64列、64行绿灯、64行红灯和键盘；输入模块3分为4个按键的主控和16个按键的分别控制。最后，经过手动布局、自动布线和手动布线，生成了 3块PCB电路板文件，进而刷印出PCB电路板。振动的合成主要包括同方向同频率的简谐振动的合成、同方向不同频率的简谐振动的合成、相互垂直同频率的简谐振动的合成和相互垂直不同频率的简谐振动的合成。以相互垂直同频率的简谐振动的合成为例，两个简谐振动的表达式分别为:
权利要求
1.简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，其特征在于，包括LED点阵屏显示模块、控制模块和指令输入模块； 所述LED点阵屏显示模块包括LED点阵屏，用于显示图像； 所述指令输入模块用于根据用户的输入向控制模块发送控制指令，所述控制指令包括演示预定图像或演示预定过程的指令； 所述控制模块用于接收指令输入模块发送的控制指令，并根据所述控制指令控制LED点阵屏中的若干个LED灯显示预定图像，所述预定图像包括简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态和偏振光光矢端运动过程。
2.根据权利要求1所述的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，其特征在于，所述智能演示仪还包括硬件控制电路，所述硬件控制电路包括: 串行移位寄存器，用于在所述LED点阵屏和所述控制电路之间传输数据； 达林管驱动电路，包括若干个达林管，用于驱动所述LED点阵屏中的LED灯； 模块化供电模块，用于为每三个达林管配给一个稳压电源使显示稳定清晰。
3.根据权利要求1所述的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，其特征在于，所述控制模块还用于每隔0.3ms扫描所述LED点阵屏的一行，每行定时0.5s检查是否需要更新显示内容；所述控制模块还用于控制LED灯的运行时间，实现LED灯模拟弹簧振子的简谐振动，并在X轴和Y轴方向上频率不同相位为若干固定值的简谐振动，实现稳定的合成简谐振动或其合成过程；所述控制模块还用于控制LED灯振动模拟实现偏振光的偏振运动，在两相互垂直方向上频率相同相位为若干固定值的线偏振光，实现稳定的合成偏振光或其合成过程。·
全文摘要
本发明提供了一种简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，相应的演示仪包括LED点阵屏显示模块、控制模块和指令输入模块，控制模块用于接收输入模块发送的控制指令，并通过算法处理发出控制指令，控制电路实现LED点阵屏中的若干个LED灯显示简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态和偏振光光矢端运动过程；指令输入模块用于根据用户指令的输入，并向控制模块发送演示预定图像或过程的控制指令。本发明能够直观的演示出简谐振动的合成过程和偏振光的光矢端运动过程，并可以让学生亲自动手操作加深对相关物理知识点的理解。
文档编号G09B23/10GK103236211SQ201310123700
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者阮海军, 董永奇, 王伟, 王飞 申请人:北京交通大学