基于單片機(jī)和VB的動(dòng)態(tài)力學(xué)演示儀

袁敏 徐銳

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);VB;力學(xué)演示

中圖分類號(hào)：TP212;G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

超重失重和沖擊現(xiàn)象是在學(xué)習(xí)加速度和沖量問題時(shí)必然涉及的基本的力學(xué)現(xiàn)象。對(duì)這部分知識(shí)的教學(xué)通常采取講授的方式，由于缺少合適的演示儀器，學(xué)生較難對(duì)這些現(xiàn)象形成直觀的認(rèn)識(shí)。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于VB和Excel軟件的力學(xué)演示儀，可以通過壓力或加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系生動(dòng)直觀地演示此類力學(xué)現(xiàn)象。單片機(jī)系統(tǒng)和VB軟件用來實(shí)現(xiàn)壓電信號(hào)的采集和物體實(shí)時(shí)受力曲線的顯示。再通過Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，可以進(jìn)一步給出物體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度變化。

一、壓力、加速度求解的基本原理?

本實(shí)驗(yàn)采用高精度的電路和力敏傳感器。把待研究物體置于力敏傳感器上，傳感器的輸出電壓U與所受壓力F成正比，即

U=KF ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中K為二者的比例系數(shù)，被稱為傳感器的比例系數(shù)[1]。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力傳感器的電壓信號(hào)U會(huì)發(fā)生變化，從VB窗口中可以讀出實(shí)時(shí)的電壓U，根據(jù)（1）式可求出壓力F。而對(duì)于待測(cè)物體，其所受合外力滿足

ma=F-mg ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

根據(jù)（2）式可求出物體實(shí)時(shí)加速度a。

二、系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)硬件電路主要包括：硬件采集及上傳部分、單片機(jī)部分和串行通訊部分等。

1.電壓力采集及放大部分

我們選用了電子秤的壓力傳感器，將微弱的電壓力信號(hào)引出后，經(jīng)過二級(jí)運(yùn)算放大電路放大3000倍左右，達(dá)到0.1V的數(shù)量級(jí)。并采用小電容濾去雜波信號(hào)，減小采集連續(xù)變化電壓信號(hào)時(shí)的失真。

2.單片機(jī)部分

我們用的單片機(jī)是新華龍單片機(jī)C8051系列的C8051F330[2]。電路圖如圖1。該種型號(hào)的單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。P1.0作為接收放大后的電壓信號(hào)的端口，P0.4，P0.5作為串行通訊端口。

3.串行通訊部分

此部分采用的MAX3232芯片。此芯片性能穩(wěn)定，電路成熟。將此部分通過USB轉(zhuǎn)串口接線，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)單片機(jī)的控制與二者的數(shù)據(jù)交換。

三、軟件部分

軟件部分主要包括單片機(jī)、C語言編程、VB程序、Excel公式的編寫。

1.VB程序

我們通過VB軟件下達(dá)上傳數(shù)據(jù)的指令，通過串行通訊電路給單片機(jī);單片機(jī)收到指令后按通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)包通過串行通訊電路上傳給VB軟件。并用PSset控件畫出實(shí)時(shí)的電壓U的圖像。由于U和物體受壓力F成正比，所以U的變化規(guī)律和F的變化規(guī)律相同。物體靜止時(shí)，U（或F）曲線水平;物體超重運(yùn)動(dòng)或受到?jīng)_擊時(shí)，U（或F）曲線上升;物體失重時(shí)，U（或F）曲線下降，如圖2所示。

2.Excel程序

Excel用來處理數(shù)據(jù)。在VB軟件中，我們加入鼠標(biāo)跟隨功能，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值，都可以在窗口中讀出來。VB窗口的數(shù)值與電壓U成正比，電壓U又與壓力F成正比。每次實(shí)驗(yàn)前我們均可以用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的物體進(jìn)行定標(biāo)。從而利用壓力、加速度與電壓的關(guān)系算出壓力F和加速度a。在Excel表格編輯好公式后，每次僅需要輸入在VB中讀取的數(shù)據(jù)就可以得到F和a，簡(jiǎn)單方便。

四、實(shí)驗(yàn)演示與測(cè)量

1.超重失重和沖擊現(xiàn)象的演示

超重失重的圖像如圖2，沖擊現(xiàn)象的圖像如圖3。

2.壓力F和加速度a的計(jì)算

輸入實(shí)測(cè)的VB信號(hào)后，Excel得出了相應(yīng)壓力F和加速度a。如圖4。

超重、失重和沖擊現(xiàn)象本來是瞬時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象，不易演示。但利用單片機(jī)可以極快地采集現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)裝置利用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，VB軟件控制、保留數(shù)據(jù)和制圖，Excel軟件處理數(shù)據(jù)。通過實(shí)時(shí)的圖像演示了超重、失重和沖擊現(xiàn)象，根據(jù)這些數(shù)據(jù)同時(shí)還可以得出物體實(shí)時(shí)的受力和加速度。該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單便于操作，圖像直觀生動(dòng)，對(duì)力學(xué)部分的教學(xué)很有幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜香菊.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]張培仁，孫 力.C8051F系列單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.