一种首点定位高准度的电火花打点计时器的制作方法

1.本实用新型涉及教学仪器技术领域，尤其是涉及一种首点定位高准度的电火花打点计时器。


背景技术：

2.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加速度的计算，但对于运动速度较低的加速度计算则会产生较大的误差；现有很多途径可以提高打点计时器的精确度，例如利用石英晶体振荡作为输出脉冲信号源；例如通过改变数据处理方法如用最小二乘法进行拟合计算；例如从自动化方面入手进行改进；如通过改变固定方式，如精细耐用的墨鼓代替经常易损坏的墨粉纸，如通过改进打点计时器的使用方法等提高精度。目前还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不能解决初速度为零的首点定位误差较大的问题
3.基于上述一系列的问题，遂有以下技术方案的产生。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种首点定位高准度的电火花打点计时器，通过电源电压大小可调来改变高压；通过电磁铁双控制电路减少剩磁对首点定位精确度的影响。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
6.本实用新型提供的一种首点定位高准度的电火花打点计时器，包括壳体，所述壳体内部还设有电源模块、单片机、功能分区电位器、电火花高压发生器、电磁铁以及升压调整模块，所述壳体外部设有显示屏，所述电源模块通过电路与单片机、功能分区电位器、电火花高压发生器、电磁铁以及升压调整模块进行电连接，所述单片机上设有电路引脚，通过所述电路引脚与显示屏、功能分区电位器、电火花高压发生器、电磁铁进行电连接，所述单片机内设有计算机控制程序，通过计算机控制程序进行高压驱动，经过电火花高压发生器驱动放电针进行打点，所述壳体上还设有墨粉纸盘以及放电针，当打点计时器开始工作时，纸带经过墨粉纸盘以及放电针的打点进行测量。
7.进一步的，所述单片机内设有剩磁控制电路，所述剩磁控制电路外接有电磁铁，通过电磁铁的磁力作用控制打点计时器运行时小车的运行初速度。
8.进一步的，所述壳体上设有凹槽，所述凹槽上放置有墨粉纸盘，墨粉纸盘中间设有放电针，所述放电针在电火花高压发生器的驱动下进行放电打点。
9.进一步的，所述壳体上一端固定设有导电片压纸条，纸带由导电片压纸条进行压紧。
10.进一步的，所述电源模块外设有开机按钮，所述开机按钮外连接家用电源电压220v，当需要使用打点计时器时，将打点计时器的开机按钮按下并连接家用电源电压。
11.进一步的，所述计算机控制程序外设有并行接口，通过所述并行接口输出脉冲信号至高压驱动电路，高压驱动电路驱动高压电路模块，高压模块输出高压电弧打出电火花。
12.进一步的，所述高压电路模块设有n沟道型mos管，当接通电源后，并行接口输出高电平，三极管基极b被电源上拉，三极管的集电极c 低电平，mos管的栅极低电平，mos管的阳极高电平截止；当并行接口输出低电平时，三极管截止，mos管的栅极高电平，mos管阳极低电平导通，电流通过高压线圈初级对地导通，次级高压输出，产生电火花。
13.进一步的，当来自并行接口的高电平脉冲信号使三极管导通，三极管的c极输出低电平，mos管的栅极低电平，mos管的阳极高电平截止，没有高压输出。
14.本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：
15.1、电火花可调
16.电火花脉冲宽度可调(5us～100us)、点数可调、频率可调、高压可调，可以根据不同纸质、气候条件进行设置实验参数，且可调节打点模式 (双脉冲模式)，防止漏点情况的出现。
17.2、电磁铁控制电路的改进
18.采用双控制电路减少电磁铁剩磁对小车初速度的影响；采用单片机控制的窄脉冲确定了纸带首点定位的精准性。
19.3、数据处理方式创新
20.使用电磁铁双控制电路可减小电磁铁对首点定位的精确度的影响，使得进行数据处理时可在原有逐差法、联立方程法的基础上增加一个更简便的计算方法即使用进行计算，经实验验证可提高计算加速度的准确度。
21.4、控制装置方法迁移的创新
22.由计算机控制技术研究到成果迁移到单片机控制技术，制作出基于首点定位高精密单片机控制的电火花打点计时器。
23.5、延长墨粉纸的使用寿命
24.在14v电源控制下的高压对墨粉纸损伤小且纸带打点小且清晰，提高数据的测量准确度。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是首点定位高精密电火花打点计时器的电路拓扑图；
27.图2是首点定位高精密电火花打点计时器的结构示意图；
28.图3是本实用新型计算机程序局部内容示意图一；
29.图4是本实用新型计算机程序局部内容示意图二；
30.图5是本实用新型计算机程序局部内容示意图三；
31.图6是旧作品打点计时器的数据处理进行绘制的图像示意图；
32.图7是新作品打点计时器的数据处理进行绘制的图像示意图。
33.图中：1电源模块；2单片机；3功能分区电位器；4显示屏；5电火花高压发生器；6电磁铁；7升压调整模块；8纸带；9导电片压纸条；10 墨粉纸盘；11放电针
具体实施方式
34.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
35.本实用新型提供了一种首点定位高准度的电火花打点计时器。下面将结合图1～图5对本实用新型提供的技术方案进行更为详细的阐述。
36.在开始讲解本实用新型的具体过程之前，先对本实用新型所能提及到的专有术语以及概念进行阐述：
37.并口
38.通常又称打印口或lpt口。普通的计算机一般都配有并口，它可以获取外部信号，经过编程语言处理，通过继电器的吸合控制外部设备而达到自动控制的目的。并口有25个引脚，在pc机中标准并口使用3个8位的端口寄存器，为数据、状态、控制寄存器。并口可以数字输入及输出，数字输出就是在程序要求某一个设备的某一开关点开或关，并口即可以作数字输出口，也可以作数字输入口。
39.vb编程软件
40.vb是visual basic的简称，是由美国微软公司于1991年开发的一种结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。可用于开发windows环境下的各类应用程序，它简单易学、效率高，且功能强大。在visual basic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用windows内部的广泛应用程序接口(api)函数，动态链接库(dll)、对象的链接与嵌入 (ole)、开放式数据连接(odbc)等技术，可以高效、快速地开发 windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统，特别适合初学者学习。
41.应用vb编程软件及自主研发的计算机并口控件及传感器控件，直接简单地对接了传感器与计算机的通讯，从虚拟实验直接延伸到到面向现实世界。
42.如图1-2所示，一种首点定位高准度的电火花打点计时器，包括壳体，所述壳体内部还设有电源模块1、单片机2、功能分区电位器3、电火花高压发生器5、电磁铁6以及升压调整模块7，所述壳体外部设有显示屏4，所述电源模块1通过电路与单片机2、功能分区电位器3、电火花高压发生器5、电磁铁6以及升压调整模块7进行电连接，所述单片机 2上设有电路引脚，通过所述电路引脚与显示屏4、功能分区电位器3、电火花高压发生器5、电磁铁6进行电连接，所述单片机2内设有计算机控制程序，通过计算机控制程序进行高压驱动，经过电火花高压发生器5 驱动放电针11进行打点，所述壳体上还设有墨粉纸盘10以及放电针11，当打点计时器开始工作时，纸带8经过墨粉纸盘10以及放电针11的打点进行测量。
43.优选的，所述单片机2内设有剩磁控制电路，所述剩磁控制电路外接有电磁铁6，通过电磁铁6的磁力作用控制打点计时器运行时小车的运行初速度。
44.优选的，所述壳体上设有凹槽，所述凹槽上放置有墨粉纸盘10，墨粉纸盘10中间设有放电针11，所述放电针11在电火花高压发生器5的驱动下进行放电打点。
45.优选的，所述壳体上一端固定设有导电片压纸条9，纸带8由导电片压纸条9进行压紧。
46.优选的，所述电源模块1外设有开机按钮，所述开机按钮外连接家用电源电压220v，当需要使用打点计时器时，将打点计时器的开机按钮按下并连接家用电源电压。
47.优选的，所述计算机控制程序外设有并行接口，通过所述并行接口输出脉冲信号至高压驱动电路，高压驱动电路驱动高压电路模块，高压模块输出高压电弧打出电火花。
48.优选的，所述高压电路模块设有n沟道型mos管，当接通电源后，并行接口输出高电平，三极管基极b被电源上拉，三极管的集电极c低电平，mos管的栅极低电平，mos管的阳极高电平截止；当并行接口输出低电平时，三极管截止，mos管的栅极高电平，mos管阳极低电平导通，电流通过高压线圈初级对地导通，次级高压输出，产生电火花。
49.优选的，当来自并行接口的高电平脉冲信号使三极管导通，三极管的 c极输出低电平，mos管的栅极低电平，mos管的阳极高电平截止，没有高压输出。
50.如图3-5所示，是本实用新型计算机控制程序的内容示意图，通过按照如图3-5所示的内容进行控制单片机运行。
51.本实用新型的技术解决要点在于采用计算机控制技术，研究不同供电电压下，电火花对打印墨粉纸损伤度及纸带清晰度的影响，将研究结果移植到单片机2上。采用单片机2控制技术，编写的频率可调的电火花控制程序，解决轨道小车速度过小时用逐差法选择多点计算造成漏点问题；解决用电磁铁控制初速度为零首点打点定位由剩磁造成使用公式s＝at2/2计算前几点误差较大问题；探究高压大小和放电口对打点精度的影响。
52.具体的包括如下操作过程：
53.众所周知，电火花打点计时器是利用火花放电使墨粉在纸带上打出墨点而显出点迹的一种计时仪器.给电火花打点计时器接220v电源，按下脉冲输出开关，计时器发出的脉冲电流，接正极的放电针和墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在纸带上打出一系列的点，而且在交流电的每个周期放电一次，因此电火花打点计时器打出点间的时间间隔等于交流电的周期，当电源频率为50赫兹时，它每隔0.02s打一次点。是高中常用测速仪器。
54.本实用新型优选采用计算机控制程序制作电火花打点计时器。
55.irf540是n沟道型mos管，应用在100v/33a范围以内的场合，可以用做pwm的驱动管，驱动电磁阀或者继电器。电流从d流向s，栅极g高电平导通。
56.当接通电源后，lpt口输出高电平，三极管基极b被电源上拉，三极管的集电极c低电平，mos管的栅极低电平，mos管的阳极高电平截止；当lpt口输出低电平时，三极管截止，mos管的栅极高电平，mos 管阳极低电平导通，电流通过高压线圈初级对地导通，次级高压输出，产生电火花；当来自lpt口的高电平脉冲信号使三极管导通，三极管的c 极输出低电平，mos管的栅极低电平，mos管的阳极高电平截止，没有高压输出；这样经改造后的单脉冲电火花打点清晰、圆润、没有漏点和拖尾现象。
57.在电源的输入端串联一个ptc自恢复保险丝，当电流过大产生过流过热的故障得到排除,可恢复保险丝元件自动复原到低阻状态，保证 irf540mos管不被击穿。这既避免了
维护更换,也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态。可恢复保险丝具有过流过热保护,自动复原的双重功能的原因是由于其特殊的制造。
58.调压模块用于改变高压模块的输出电压，当高精度电位器顺时针旋转时输出电压升高，反之降低。
59.以下是依据本实用新型所设计的打点计时器进行具体实验的过程：
60.1、电源变化对纸带的打点效果
61.表格：
[0062][0063][0064]
在单脉冲模式下，电压较小(小于16v)的情况下，打不出肉眼可视的点。在电压稍大(大于16v)的情况下，才可打出点，但存在漏点现象，到20v左右才不漏点。在单脉冲模式下，电压较小时打不出肉点可见的点，电压越大，点越清晰越大，漏点情况越不容易出现。
[0065][0066]
在双脉冲模式下，电压为12v～16v时虽然对墨粉纸的损伤较小，但打出的点模糊不清且会漏点，电压为17v以上时打出的点清晰但半径较大，且对墨粉纸损伤较大。所以在双脉冲模式下，电压越大，点越清晰，点大小越大，漏点情况越不容易出现，对墨粉纸损伤越大。
[0067][0068][0069]
在三脉冲模式下，在电压较小(12v～16v)时打出的点较为清晰，但电压在12v、13v时会有漏点且对墨粉纸有一定损伤；在电压17v～ 20v时，打出的点颜色偏深，且对墨粉纸损伤比较大。所以在三脉冲模式下，电压越大，点的颜色越深，大小越大，漏点情况越不容易出现，对墨粉纸的损伤越大。
[0070]
2、探究脉冲宽度大小对纸带的打点效果(双点脉冲)
[0071][0072]
在双脉冲模式下，在14v的电压下，打出的点都较为清晰，不会漏点，且脉冲宽度越大，打出的点大小越大，对墨粉纸损伤越大。
[0073][0074]
在双脉冲模式下，在15v电压下，打出的点都较为清晰，不会漏点，且脉冲宽度越大，打出的点大小越大，对墨粉纸损伤越大，且比14v电压时点大小更大，对墨粉纸的损伤更大
[0075][0076]
在双脉冲模式下，在16v电压下，打出的点都较为清晰，不会漏点，且脉冲宽度越大，打出的点大小越大，对墨粉纸损伤越大，且比15v电压时点大小更大，对墨粉纸的损伤更大。
[0077]
3、探究不同电源电压在脉冲宽度5us以下对纸带的打点效果(双点脉冲)
[0078][0079]
在14v电压、脉冲宽度在5us以下时，脉冲宽度越大，打出的点越清晰，对墨粉纸损伤越大，但存在漏点现象。
[0080][0081][0082]
在15v电压、脉冲宽度在5us以下时，脉冲宽度越大，打出的点越清晰，对墨粉纸损伤越大，漏点现象相比14v电压时更不明显，但对墨粉纸的损伤更大。
[0083][0084]
在16v电压、脉冲宽度在5us以下时，脉冲宽度越大，打出的点越清晰，对墨粉纸损伤越大，但此时不存在漏点情况，对墨粉纸的损伤相比 15v时更大。
[0085]
4、探究在14v电压4us脉冲宽度下不同打点个数对纸带的打点效果 (双点脉冲)
[0086][0087]
在14v电压4us脉冲宽度下，在同一位置打点的个数越多，对墨粉纸的损伤越大。
[0088]
5、实验结果小结
[0089]
通过实验发现，4us的窄小脉冲打击到墨粉纸上形成的点肉眼难以分辨，而纸带上的点却清晰可见。由此可推论：在纸带上形成的点是墨粉由于放电作用被吸附到纸带上形成的。分析实验电源变化对纸带的打点效果与实验探究脉冲宽度大小对纸带的打点效果在漏点方面出现的差异，可能是第一次实验经验不足，打印墨粉纸实验过久造成墨粉纸被击穿空打而造成漏点；在接下来的实验中每次都换打印墨粉纸，才能保留清晰的打印损伤点；综合上面的4组实验，总结出在14v电压产生的高压和4us脉冲宽度下，对打印墨粉纸损伤最小且打印在纸带上的打印点小又清晰可见，经过拖动纸带，发现无漏洞现象出现。因此，我们进行下一步单片机产品的设计工作，将上述实验结果应用到单片机控制电火花打点计时器的作品制作上。
[0090]
以下是传统打点计时器与新型打点计时器的试验结果对比：
[0091]
1、旧作品打点计时器的数据处理
[0092]
旧产品打点计时器由于首点可用，因此可用公式进行数据处理。
[0093]
以下是利用公式进行数据处理的实验数据
[0094][0095][0096]
利用以上数据进行绘制的图像“如图6所示”[0097]
2、新作品打点计时器的数据处理
[0098][0099]
利用以上数据进行绘制的图像“如图7所示”[0100]
3、实验结果小结t/s
[0101]
分析实验电源变化对纸带的打点效果与实验探究脉冲宽度大小对纸带的打点效果在漏点方面出现的差异，可能是第一次实验经验不足，打印墨粉纸实验过久造成墨粉纸被击穿空打而造成漏点；在接下来的实验中每次都换打印墨粉纸，才能保留清晰的打印损伤点；综合上面的4组实验，总结出在14v电压产生的高压和4us脉冲宽度下，对打印墨粉纸损伤最小且打印在纸带上的打印点小又清晰可见，经过拖动纸带，发现无漏洞现象出现。因此，我们进行下一步单片机产品的设计工作，将上述实验结果应用到单片机控制电火花打点计时器的作品制作上。
[0102]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应当涵盖在本实用新型的保护范围之内。