基于STM32多功能運(yùn)動(dòng)合成與分解演示儀的研制

列曉東，梁淑媚，吳先球

（華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 引 言

運(yùn)動(dòng)的合成與分解，是學(xué)生處理曲線運(yùn)動(dòng)的基本方法，也是學(xué)生學(xué)完牛頓定律后遇到的第二個(gè)力學(xué)難點(diǎn).目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)合成與分解的演示儀中，有些儀器是利用蠟塊或者浮球在玻璃管水中做豎直運(yùn)動(dòng)，然后整個(gè)裝置做水平運(yùn)動(dòng)來演示2個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成［1］；而有些則搭建傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用手作為動(dòng)力源，使物體分別做2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)［2-3］.這些裝置都基本能達(dá)到演示效果，但作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，還存在以下幾個(gè)不足：1）操作者對(duì)“勻速”的手動(dòng)控制并不穩(wěn)定；2）不能實(shí)時(shí)描繪出合運(yùn)動(dòng)軌跡；3）2個(gè)運(yùn)動(dòng)的速度的選擇性較單一.筆者基于STM32單片機(jī)研制了多功能運(yùn)動(dòng)合成分解演示儀.本裝置結(jié)合直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點(diǎn)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，同時(shí)運(yùn)動(dòng)方向可任意調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了多種演示方案.

2 儀器的設(shè)計(jì)

儀器的系統(tǒng)框圖如圖1所示.STM32單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入，產(chǎn)生2路PWN控制信號(hào)，經(jīng)過L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生不同的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的效果.本裝置選擇的是額定電壓為12V，轉(zhuǎn)速為82r／min，負(fù)載時(shí)的扭矩為0.28N·m的直流電機(jī).其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，扭矩大，滿足實(shí)驗(yàn)要求.

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

儀器的裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示.在木制底座上安裝1對(duì)抽屜滑軌，然后用自行車撐傘架上卸下來的“搖擺型”裝置將2根滑軌安裝在一起，構(gòu)成“L”字型支架.滑軌上貼傳動(dòng)皮帶，兩滑軌的起始端上分別安裝了帶有同步齒輪的直流電機(jī).滑軌A末端安裝可以固定白板筆的裝置，它是由1塊直角鐵和煤氣管套圈焊接而成.白板筆蓋上粘1個(gè)乒乓球，代表運(yùn)動(dòng)的物體.在白板筆下裝有1塊有機(jī)玻璃板，玻璃板下方貼方格紙.這樣，直流電機(jī)1控制白板筆做上下運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)2控制滑軌A做左右運(yùn)動(dòng)，白板筆可畫出合運(yùn)動(dòng)軌跡.

3 使用方法

儀器的控制面板如圖3所示.第1行和第2行分別負(fù)責(zé)設(shè)定2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況.其中v是指轉(zhuǎn)速的大小，a是指加速的程度，各有慢和快兩級(jí).2個(gè)電機(jī)雖然只有4種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，但組合起來有16種合成情況，足以滿足課堂演示的需要.另外，面板當(dāng)中的“M”是指“運(yùn)動(dòng)”，“S”是指“停止”，“B”是指“復(fù)位”.

圖3 控制面板圖

演示前，首先分別設(shè)定X，Y軸上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后按“X＿M(jìn)”鍵或“Y＿M(jìn)”鍵單獨(dú)啟動(dòng)其中1個(gè)電機(jī)，電機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng).通過觀察乒乓球的運(yùn)動(dòng)情況，讓學(xué)生對(duì)本裝置2個(gè)軌道能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)有直觀認(rèn)識(shí).然后按“X＿B”鍵和“Y＿B”鍵使乒乓球復(fù)位到起點(diǎn)O；最后按“M”鍵同時(shí)啟動(dòng)兩軸上的直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，白板筆實(shí)時(shí)地畫出了合運(yùn)動(dòng)的軌跡.在白板筆畫合運(yùn)動(dòng)軌跡過程中，可讓學(xué)生注意感受2軸上分運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

4 演示效果

通過改變X，Y軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，可以畫出不同的合運(yùn)動(dòng)軌跡.圖4（a）中顯示了3種物體在2個(gè)不同勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的合成情況；圖4（b）中顯示了3種1個(gè)方向做勻速運(yùn)動(dòng)和1個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的合成情況.同時(shí)，通過調(diào)角旋鈕，還可以演示不同夾角時(shí)的合成情況.限于篇幅，這里不再展開描述.

圖4 裝置演示效果

5 實(shí)驗(yàn)拓展

本裝置取材容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用于課堂做演示實(shí)驗(yàn).《新課程標(biāo)準(zhǔn)》指出義務(wù)教育階段的物理課程的基本理念要求是：從生活走向物理，從物理走向社會(huì)［5］.根據(jù)需要，將乒乓球改成小紙船，即可演示“小船渡河”等情景問題，圖5所示的是當(dāng)船速比水速大時(shí)，船速與水速的夾角分別為銳角、直角和鈍角時(shí)的船行軌跡.本儀器可幫助學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的合成與分解.

圖5 船頭不同朝向時(shí)的合運(yùn)動(dòng)軌跡

由于直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與加在它兩端的電壓并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此目前實(shí)現(xiàn)的只是加速運(yùn)動(dòng).如果要精確地做到勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則要使用步進(jìn)電機(jī).然而，一般的步進(jìn)電機(jī)扭矩較小，而扭矩大的本身質(zhì)量也大，造成推動(dòng)裝置移動(dòng)時(shí)阻力較大.因此在以后的研發(fā)中，可選擇一些輕質(zhì)的滑軌，或者扭矩大但是本身質(zhì)量小的步進(jìn)電機(jī).

［1］韋金仕.運(yùn)動(dòng)合成與分解演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.基礎(chǔ)教育研究，2011（6A）：49-51.

［2］陳錦鐸.關(guān)于運(yùn)動(dòng)合成與分解實(shí)驗(yàn)的方案［J］.中學(xué)物理，2010，28（15）：32-33.

［3］王會(huì)霞.運(yùn)動(dòng)的合成與分解演示儀制作初探［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2007（1）：82，85.

［4］王世誼.運(yùn)動(dòng)合成演示儀［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1982，2（1）：29-30.

［5］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）［M］.北京：人民教育出版社，2003.