一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的制作方法

本实用新型涉及教学教具技术领域，具体而言，涉及一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具。

背景技术：

在传统的力学实验中，为了验证牛顿第二定律，教师通常采用力学轨道小车作为辅助教具。传统的力学轨道从小车教具采用电火花计时器在纸带上打点的方式，记录了时间与小车位移的关系，以此求出加速度与时间的关系，验证牛顿第二定律。但该实验过程中却有很多摩擦力因素无法消除，导致实验结果与理论值有着较大偏差。电火花计时器打点时，对纸带产生的摩擦力；小车运动时，纸带本身与轨道产生的摩擦力；电火花打点计时器本身打点时间间隔的误差等。诸如此类的影响因素都对实验结果产生了偏差，降低了实验结果的准确度。

技术实现要素：

本实用新型旨在一定程度上解决上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，用于验证牛顿第二定律力学实验的教学，可以提高实验精确度，方便实验和教学。

本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，包括轨道和滑动设置在所述轨道上的小车，其特征在于，还包括：

超声波模块，所述超声波模块的超声波发射器和超声波接收器分装在所述轨道和所述小车上，用于记录超声波发射器和接收器间的距离数据；

蓝牙模块，用于将所述超声波模块记录的距离数据传输给控制器；

温度传感器模块，用于检测环境温度，并将温度数值传输给控制器；

所述控制器，用于将所述距离数据进行处理计算，得到位移、速度或加速度数据并传输给上位机和lcd显示屏；

所述lcd显示屏，具备文字提示功能，用于以数字或图像形式显示接收的位移、速度或加速度数据；

所述上位机，用于位移、速度或加速度数据的显示，以及人工分析和批注修改。

进一步，所述蓝牙模块为hc-05蓝牙模块。

进一步，所述温度传感器为dht11湿温度传感器。

进一步，所述控制器为stm32f103系列为微控制器。

进一步，所述lcd显示屏为与控制器相配套的tft显示屏。

进一步，所述上位机为电脑。

进一步，所述控制器与所述上位机的通讯采用usb串口通讯接口。

进一步，所述超声波发射器安装在所述小车上，所述超声波接收器安装在所述轨道的起始端。

进一步，所述轨道的起始端具有调节轨道高低的调高装置，所述调高装置包括固定板和调节螺钉，所述固定板固定在所述轨道的两侧，所述调节螺钉与所述固定板螺纹连接，旋转所述调节螺钉可以调节所述轨道的高度。

进一步，所述轨道的末端具有缓冲装置，所述缓冲装置包括缓冲顶头和缓冲弹簧，所述缓冲顶头的尖端正对所述小车，相应的，所述小车上具有缓冲孔，所述缓冲顶头的尾端固定连接有所述缓冲弹簧，所述缓冲弹簧固定在所述轨道上。

本实用新型的技术效果在于，本实用新型提供的一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，包括超声波模块、温度传感器模块、蓝牙模块、控制器、lcd显示屏和上位机，采用超声波模块采集小车的位移数据，避免了电火花计时器打点时对纸带产生的摩擦力，小车运动时，纸带本身与轨道产生的摩擦力，提高了实验精度。另外采用lcd显示屏，具备文字提示功能，方便学生自主完成实验，同时进行实验数据的数字或图像显示；上位机电脑，可以对实验数据进行显示和批注修改，方便老师教学，同时更加直观。

附图说明

图1是本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的整体结构示意图；

图2是本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的小车部分示意图；

图3是本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的轨道末端结构示意图；

图4是根据本新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的轨道起始端结构示意图；

图5是本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的模块部分结构示意图；

图6是本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的信息传输框图；

图中，1-轨道；11-缓冲顶头；12-缓冲弹簧；13-固定板；14-调节螺钉；2-小车；21-缓冲孔；3-超声波模块；31-超声波发射器；32-超声波接收器；4-蓝牙模块；5-控制器；6-上位机；7-温度传感器；8-lcd显示屏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

本实用新型的具体实施例，由图1至图5所示，本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，包括轨道和滑动设置在轨道上的小车，还包括：

超声波模块3，超声波模块3的超声波发射器31和超声波接收器32分装在轨道1和小车2上，用于记录超声波发射器和接收器间的距离数据，并传输给蓝牙模块；

蓝牙模块4，用于将超声波超声波模块3记录的距离数据传输给控制器5；

温度传感器7，用于检测环境温度，将数值传输给控制器5，便于控制器5调整计算时所用声速数值大小，增强结果准确性；

控制器5，用于将距离数据进行处理计算，得到速度或加速度数据并传输给lcd显示屏8和上位机6；

lcd显示屏8，具备文字提示功能，用于以数字或图像形式显示接收的位移、速度或加速度数据；

上位机6，用于位移、速度或加速度数据的显示，以及人工对数据分析和批注修改；

根据本实用新型的具体实施例，由图6所示，一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，蓝牙模块4为hc-05蓝牙模块。采用两块hc-05蓝牙模块，分别作为数据的发射方与接收方。该蓝牙模块4是一种集成蓝牙功能的pcba板，用于短距离无线通讯，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块，发射频率为4dbm，工作温度为-25℃～75℃，满足力学实验中的数据采集要求。

根据本实用新型的具体实施例，由图6所示，一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，控制器5为stm32f103系列为控制器。采用了stm32f103系列控制器，体积小，价格便宜，提供了大量的接口，可外接非常丰富的外设。

根据本实用新型的具体实施例，由图6所示，一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，上位机6为电脑，lcd显示屏8为tft显示屏，lcd显示屏8为控制器5的配套显示屏，用于显示微处理器计算后的数值，并能以图表形式展示，并且具备文字提示功能，可以对学生实验中出现的常见问题，进行提示，方便学生自主完成实验，增强人机交互体验，另外lcd显示屏还可以显示实验数据，方便学生实地显示实验中测量、计算出的大量数据，如小车的位移、速度、加速度以及显示位移与时间的关系图，实验更加直观。另外，还可以将接收到的数据可以通过串口传输到上位机6，上位机6为电脑，并且该数据可以用已经非常普及的microsoftofficeexcel软件在电脑6上将数据显示出来，并且非常方便地绘制出时间-距离的数据曲线图，教师可以在电脑6上对实验数据进行分析和修改批注，方便老师进行教学。

在本实施例中，控制器5与上位机6的通讯采用usb串口通讯接口。串口通讯简单，组网方便，便于设备的开发和维护，以及实验前的设备调试。

在本实施例中，由图2和图4所示，超声波发射器31安装在小车上，超声波接收器32安装在轨道1的起始端。

根据本实用新型的具体实施例，由图4所示，一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，轨道1的起始端具有调节轨道高低的调高装置，调高装置包括固定板13和调节螺钉14，固定板13固定在轨道1的两侧，调节螺钉14与固定板13螺纹连接，旋转调节螺钉14可以调节轨道1的高度。

根据本实用新型的具体实施例，由图1、图2和图3所示，一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具，轨道1的末端具有缓冲装置，缓冲装置包括缓冲顶头11和缓冲弹簧12，缓冲顶头11的尖端正对小车，相应的，小车上具有缓冲孔21，缓冲顶头11的尾端固定连接有缓冲弹簧12，缓冲弹簧12固定在轨道1上。减少实验过程中小车与轨道碰撞过程对实验器材的损坏。

在本实施例中，由图5所示，温度传感器7为dht11湿温度传感器。dht11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其精度湿度±5％rh，温度±2℃，量程湿度20-90％rh，温度0～50℃。满足本次实验中的温度精度要求。

本实用新型的具体实施例，一种基于嵌入式开发的力学轨道小车教具的软件部分，使用mdk-arm硬件开发平台进行控制器程序的写入和修改。

本实用新型一种基于嵌入式开发的力学轨道小车的使用过程如下:

第一，准备阶段，打开电源开关，给超声波发射器、超声波接收器、温度传感器和蓝牙模块通电，检查超声波收发模块是否开始发射、接受超声波；蓝牙模块自动连接；stm32f103模块是否初始化，lcd显示屏幕界面是否初始化。

第二，实验阶段，在释放小车前，按下stm32f103控制器上的“开始”键，当小车与轨道起点的距离大于固定阈值时，控制器开始接受蓝牙接收端传来的数据，即小车移动的距离，并按每0.2秒记录一次数据的频率工作。总共记录120组数据。

第三，实验结果，小车移动结束后，按“结束”键，再一次按下“绘图”键，处理器便可以按照数值与时间的关系，画出曲线图。而当实验者按下“实验数据检索”键，实验者便可以在屏幕上看到各个时刻的数据。此时实验者便可以记录实验数据，做误差分析等。

以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。