基于STM32的向心力探究演示儀的研制

列曉東

(廣州市第十六中學(xué)，廣東 廣州 510080)

基于STM32的向心力探究演示儀的研制

列曉東

(廣州市第十六中學(xué)，廣東 廣州 510080)

自制了基于STM32的向心力探究實(shí)驗(yàn)儀，介紹了該實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)原理和軟硬件設(shè)計(jì)，并對其性能進(jìn)行了測試，其結(jié)果誤差范圍滿足實(shí)驗(yàn)要求.

向心力；STM32單片機(jī)；LabVIEW；直流電機(jī)

向心力是學(xué)生學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)中的核心概念，也是學(xué)生以后學(xué)習(xí)并運(yùn)用萬有引力定律解決天體運(yùn)動(dòng)問題的基礎(chǔ). 目前對向心力的定量探究實(shí)驗(yàn)研究相對較少，如在粵教版教材中，通過小物塊細(xì)繩繞著圓珠筆筒旋轉(zhuǎn)的例子，讓學(xué)生用手感受繩子的拉力大小[1]；在人教版教材中，則是先通過速度的矢量圖求得向心加速度，再由牛頓第二定律理論推導(dǎo)求得向心力[2]. 實(shí)際教學(xué)所采用的向心力演示儀(JY136型)也是以定性研究為主，而用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力表達(dá)式的實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中也存在較大誤差[3]. 因此，筆者設(shè)計(jì)了基于STM32的向心力演示儀，定量探究向心力大小.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 基于STM32的向心力探究演示儀原理圖

基于STM32的向心力演示儀的原理圖如圖1所示. STM32根據(jù)上位機(jī)指令，分別控制直流電機(jī)1和直流電機(jī)2的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變小球做圓周運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和周期. 同時(shí)，STM32通過力傳感器、光電門、位移傳感器，分別采集向心力、周期、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑3個(gè)物理量的具體數(shù)值，并傳送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2 硬件設(shè)計(jì)

演示儀的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示. 直流電機(jī)2通過水管帶動(dòng)小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng). 通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)占空比，可以調(diào)節(jié)小球的轉(zhuǎn)速. 上方可動(dòng)支架固定在抽屜滑軌上，通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)1可以讓支架上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)小球轉(zhuǎn)動(dòng)半徑. 光電門2和3負(fù)責(zé)對支架的限位，避免直流電機(jī)1發(fā)生堵轉(zhuǎn). 需要指出：綁小球的細(xì)線需要選用韌性較大的魚絲線，這樣有助于帶動(dòng)8字環(huán)萬向器轉(zhuǎn)動(dòng)，可減小因小球高速轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致的細(xì)線形變，以及細(xì)線旋轉(zhuǎn)扭曲而造成的誤差；水管另一端固定1個(gè)小球來保持平衡，可減小因水管旋轉(zhuǎn)而造成的晃動(dòng).

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)實(shí)物圖圖2 演示儀裝置圖

演示儀含3個(gè)由STM32驅(qū)動(dòng)的傳感器. 光電門用于測量小球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期；力傳感器用于測量向心力的大小； 小球的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑直接測量比較

困難，此處由位移傳感器間接測出. 位移傳感器測半徑原理如下：忽略細(xì)繩因小球旋轉(zhuǎn)所引起的伸長量變化，設(shè)定細(xì)繩在小球旋轉(zhuǎn)過程中繃直時(shí)的長度為R，位移傳感器所測得的高度值為H. 可動(dòng)支架下降ΔH，則小球的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R會(huì)增加ΔH. 因此只要事先測出初始狀態(tài)下的H和R，求兩者之和S，則調(diào)整后的半徑R′=S-H′.

3 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)STM32主程序如圖3所示，主要有3個(gè)功能，分別是“調(diào)整半徑”、“調(diào)整周期”、“采集數(shù)據(jù)”，STM32根據(jù)上位機(jī)所發(fā)指令選擇相應(yīng)功能. 在“采集數(shù)據(jù)”中，STM32分別將采集到的周期信號(hào)T、半徑信號(hào)R、向心力信號(hào)F，經(jīng)過30次累加后求平均值，再通過串口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中進(jìn)行處理.

圖3 STM32主程序流程圖

演示儀的上位機(jī)用LabVIEW編寫，其界面如圖4所示，主要有4個(gè)部分：視頻窗口區(qū)、控制區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)和數(shù)據(jù)處理區(qū). 視頻窗口區(qū)用于監(jiān)控實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖像. 控制區(qū)用于控制儀器的狀態(tài)，其中“R控制旋鈕”和“T控制旋鈕”分別對轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和周期進(jìn)行調(diào)整，兩者均有5擋可選；“停止”可讓小球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，“復(fù)位”可讓半徑復(fù)位到開機(jī)狀態(tài)位置；“向上、向下微調(diào)”可對轉(zhuǎn)動(dòng)半徑進(jìn)行微小調(diào)整.

(b)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，F(xiàn)-R擬合效果圖4 演示儀界面

數(shù)據(jù)采集區(qū)負(fù)責(zé)采集向心力、周期、半徑數(shù)據(jù). 當(dāng)小球開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)擊“讀取”，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)在“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”中顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”將數(shù)據(jù)填充到左邊表格中. 通過改變半徑或轉(zhuǎn)速，可以記錄5組不同的數(shù)據(jù). 若某一組數(shù)據(jù)誤差比較大，可以點(diǎn)擊“上一組”或“下一組”選擇該組，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”可更新數(shù)據(jù). 點(diǎn)擊“清空數(shù)據(jù)”可清空表格中所有記錄.

數(shù)據(jù)處理區(qū)負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 上位機(jī)提供了“研究F向與T的關(guān)系”和“研究F向與R的關(guān)系” 2套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方案. 在 “研究F向與T的關(guān)系”方案中，有T-F,F-T-1,F-T-2等擬合圖像可選；在“研究F向與R的關(guān)系”方案中，有F-R,F-R-1,F-R-2等擬合圖像可選. 學(xué)生選擇了相應(yīng)的圖像后，點(diǎn)擊“描點(diǎn)”和“作圖”后會(huì)得到相應(yīng)的擬合圖.

4 儀器的性能測試

為了測試儀器的性能，通過保持轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不變，調(diào)整轉(zhuǎn)速，分別記錄周期、向心力大小；然后保持周期不變，調(diào)整半徑，分別記錄半徑、向心力大小，然后將數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)處理軟件Origin7.5進(jìn)行處理，其測量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 測量數(shù)據(jù)

根據(jù)1～5組數(shù)據(jù)作出F-T-2圖像，如圖5(a)所示，F(xiàn)與T-2大致成線性關(guān)系，根據(jù)6～10組數(shù)據(jù)作出F-R圖像，如圖5(b)所示，F(xiàn)與R大致成線性關(guān)系. 因此，該演示儀性能符合設(shè)計(jì)要求.

(a)R不變時(shí)，F(xiàn)-T-2擬合圖像

(b)T不變時(shí)，F(xiàn)-R擬合圖像圖5 擬合圖像

5 使用建議

[1] 廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理(必修Ⅱ)[M]. 廣州:廣東教育出版社,2010.

[2] 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理(必修Ⅱ)[M]. 北京:人民教育出版社,2010.

[3] 張前軍. 向心力演示儀的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2010,30(12):18-20.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Centripetal force experimental device based on STM32

LIE Xiao-dong

(No.16 Middle School of Guangzhou, Guangzhou 510080, China)

A device of centripetal force based on STM32 single chip was made. The experimental principle, the designs of the software and hardware were introduced in detail. The characteristics of the device were measured, and the error range of the results could meet the experimental requirements.

centripetal force; STM32 single chip; LabVIEW; DC motor

2016-12-07

廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年課題(No.1201430781)

列曉東(1989-)，男，廣東增城人，廣州市第十六中學(xué)高中部教師，碩士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)04-0059-04