基于STM32多功能運動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 物理與電信工程學院，廣東 廣州510006）

1 引 言

運動的合成與分解，是學生處理曲線運動的基本方法，也是學生學完牛頓定律后遇到的第二個力學難點.目前關于運動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動，然后整個裝置做水平運動來演示2個運動的合成［1］；而有些則搭建傳動機構，用手作為動力源，使物體分別做2個方向的運動［2-3］.這些裝置都基本能達到演示效果，但作為課堂演示實驗，還存在以下幾個不足：1）操作者對“勻速”的手動控制并不穩定；2）不能實時描繪出合運動軌跡；3）2個運動的速度的選擇性較單一.筆者基于STM32單片機研制了多功能運動合成分解演示儀.本裝置結合直流電機轉速穩定的特點，利用單片機實現對直流電機的轉速進行控制，同時運動方向可任意調整，實現了多種演示方案.

2 儀器的設計

儀器的系統框圖如圖1所示.STM32單片機根據鍵盤輸入，產生2路PWN控制信號，經過L298N直流電機驅動電路，產生不同的電壓值，從而實現控制直流電機的轉速的效果.本裝置選擇的是額定電壓為12V，轉速為82r／min，負載時的扭矩為0.28N·m的直流電機.其特點是轉速穩定，扭矩大，滿足實驗要求.

圖1 系統框圖

圖2 裝置結構圖

儀器的裝置結構如圖2所示.在木制底座上安裝1對抽屜滑軌，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，構成“L”字型支架.滑軌上貼傳動皮帶，兩滑軌的起始端上分別安裝了帶有同步齒輪的直流電機.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個乒乓球，代表運動的物體.在白板筆下裝有1塊有機玻璃板，玻璃板下方貼方格紙.這樣，直流電機1控制白板筆做上下運動，直流電機2控制滑軌A做左右運動，白板筆可畫出合運動軌跡.

3 使用方法

儀器的控制面板如圖3所示.第1行和第2行分別負責設定2個電機的轉速情況.其中v是指轉速的大小，a是指加速的程度，各有慢和快兩級.2個電機雖然只有4種轉動狀態，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，面板當中的“M”是指“運動”，“S”是指“停止”，“B”是指“復位”.

圖3 控制面板圖

演示前，首先分別設定X，Y軸上的運動狀態，然后按“X＿M”鍵或“Y＿M”鍵單獨啟動其中1個電機，電機會根據設定的狀態轉動.通過觀察乒乓球的運動情況，讓學生對本裝置2個軌道能獨立運動有直觀認識.然后按“X＿B”鍵和“Y＿B”鍵使乒乓球復位到起點O；最后按“M”鍵同時啟動兩軸上的直流電機轉動，白板筆實時地畫出了合運動的軌跡.在白板筆畫合運動軌跡過程中，可讓學生注意感受2軸上分運動狀態.

4 演示效果

通過改變X，Y軸上的電機轉動狀態，可以畫出不同的合運動軌跡.圖4（a）中顯示了3種物體在2個不同勻速運動狀態下的合成情況；圖4（b）中顯示了3種1個方向做勻速運動和1個做加速運動時的合成情況.同時，通過調角旋鈕，還可以演示不同夾角時的合成情況.限于篇幅，這里不再展開描述.

圖4 裝置演示效果

5 實驗拓展

本裝置取材容易，結構簡單，操作方便，適用于課堂做演示實驗.《新課程標準》指出義務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［5］.根據需要，將乒乓球改成小紙船，即可演示“小船渡河”等情景問題，圖5所示的是當船速比水速大時，船速與水速的夾角分別為銳角、直角和鈍角時的船行軌跡.本儀器可幫助學生更加直觀地認識運動的合成與分解.

圖5 船頭不同朝向時的合運動軌跡

由于直流電機帶負載時轉速與加在它兩端的電壓并不是嚴格的線性關系，因此目前實現的只是加速運動.如果要精確地做到勻加速直線運動，則要使用步進電機.然而，一般的步進電機扭矩較小，而扭矩大的本身質量也大，造成推動裝置移動時阻力較大.因此在以后的研發中，可選擇一些輕質的滑軌，或者扭矩大但是本身質量小的步進電機.

［1］韋金仕.運動合成與分解演示實驗設計［J］.基礎教育研究，2011（6A）：49-51.

［2］陳錦鐸.關于運動合成與分解實驗的方案［J］.中學物理，2010，28（15）：32-33.

［3］王會霞.運動的合成與分解演示儀制作初探［J］.中國現代教育裝備，2007（1）：82，85.

［4］王世誼.運動合成演示儀［J］.物理實驗，1982，2（1）：29-30.

［5］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）［M］.北京：人民教育出版社，2003.