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，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，廣東 廣州 510080)

自制了基于STM32的向心力探究實驗儀，介紹了該實驗儀的實驗原理和軟硬件設計，并對其性能進行了測試，其結果誤差范圍滿足實驗要求.

向心力；STM32單片機；LabVIEW；直流電機

向心力是學生學習圓周運動中的核心概念，也是學生以后學習并運用萬有引力定律解決天體運動問題的基礎. 目前對向心力的定量探究實驗研究相對較少，如在粵教版教材中，通過小物塊細繩繞著圓珠筆筒旋轉的例子，讓學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求得向心力[2]. 實際教學所采用的向心力演示儀(JY136型)也是以定性研究為主，而用圓錐擺粗略驗證向心力表達式的實驗在實際操作中也存在較大誤差[3]. 因此，筆者設計了基于STM32的向心力演示儀，定量探究向心力大小.

1 系統設計

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根據上位機指令，分別控制直流電機1和直流電機2的轉動，從而改變小球做圓周運動的轉動半徑和周期. 同時，STM32通過力傳感器、光電門、位移傳感器，分別采集向心力、周期、轉動半徑3個物理量的具體數值，并傳送到上位機進行數據處理.

2 硬件設計

演示儀的硬件設計如圖2所示. 直流電機2通過水管帶動小球做勻速圓周運動. 通過調節驅動電機的PWM信號占空比，可以調節小球的轉速. 上方可動支架固定在抽屜滑軌上，通過調節直流電機1可以讓支架上下移動，從而調節小球轉動半徑. 光電門2和3負責對支架的限位，避免直流電機1發生堵轉. 需要指出：綁小球的細線需要選用韌性較大的魚絲線，這樣有助于帶動8字環萬向器轉動，可減小因小球高速轉動而導致的細線形變，以及細線旋轉扭曲而造成的誤差；水管另一端固定1個小球來保持平衡，可減小因水管旋轉而造成的晃動.

(a)結構圖

(b)實物圖圖2 演示儀裝置圖

演示儀含3個由STM32驅動的傳感器. 光電門用于測量小球轉動的周期；力傳感器用于測量向心力的大小； 小球的轉動半徑直接測量比較

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：忽略細繩因小球旋轉所引起的伸長量變化，設定細繩在小球旋轉過程中繃直時的長度為R，位移傳感器所測得的高度值為H. 可動支架下降ΔH，則小球的轉動半徑R會增加ΔH. 因此只要事先測出初始狀態下的H和R，求兩者之和S，則調整后的半徑R′=S-H′.

3 軟件設計

下位機STM32主程序如圖3所示，主要有3個功能，分別是“調整半徑”、“調整周期”、“采集數據”，STM32根據上位機所發指令選擇相應功能. 在“采集數據”中，STM32分別將采集到的周期信號T、半徑信號R、向心力信號F，經過30次累加后求平均值，再通過串口將數據傳送到上位機中進行處理.

圖3 STM32主程序流程圖

演示儀的上位機用LabVIEW編寫，其界面如圖4所示，主要有4個部分：視頻窗口區、控制區、數據采集區和數據處理區. 視頻窗口區用于監控實驗現場圖像. 控制區用于控制儀器的狀態，其中“R控制旋鈕”和“T控制旋鈕”分別對轉動半徑和周期進行調整，兩者均有5擋可選；“停止”可讓小球停止轉動，“復位”可讓半徑復位到開機狀態位置；“向上、向下微調”可對轉動半徑進行微小調整.

(b)轉速不變時，F-R擬合效果圖4 演示儀界面

數據采集區負責采集向心力、周期、半徑數據. 當小球開始轉動時，點擊“讀取”，采集到的數據會在“實時數據”中顯示；當數據穩定時，點擊“記錄數據”將數據填充到左邊表格中. 通過改變半徑或轉速，可以記錄5組不同的數據. 若某一組數據誤差比較大，可以點擊“上一組”或“下一組”選擇該組，點擊“記錄數據”可更新數據. 點擊“清空數據”可清空表格中所有記錄.

數據處理區負責對采集到的數據進行處理. 上位機提供了“研究F向與T的關系”和“研究F向與R的關系” 2套實驗數據處理方案. 在 “研究F向與T的關系”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的關系”方案中，有F-R,F-R-1,F-R-2等擬合圖像可選. 學生選擇了相應的圖像后，點擊“描點”和“作圖”后會得到相應的擬合圖.

4 儀器的性能測試

為了測試儀器的性能，通過保持轉動半徑不變，調整轉速，分別記錄周期、向心力大小；然后保持周期不變，調整半徑，分別記錄半徑、向心力大小，然后將數據直接通過數據處理軟件Origin7.5進行處理，其測量數據如表1所示.

表1 測量數據

根據1～5組數據作出F-T-2圖像，如圖5(a)所示，F與T-2大致成線性關系，根據6～10組數據作出F-R圖像，如圖5(b)所示，F與R大致成線性關系. 因此，該演示儀性能符合設計要求.

(a)R不變時，F-T-2擬合圖像

(b)T不變時，F-R擬合圖像圖5 擬合圖像

5 使用建議

[1] 廣東基礎教育課程資源研究開發中心物理教材編寫組. 普通高中課程標準實驗教科書·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中心. 普通高中課程標準實驗教科書·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[J]. 物理實驗，2010,30(12):18-20.

[責任編輯：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“十二五”規劃2014年課題(No.1201430781)

列曉東(1989-)，男，廣東增城人，廣州市第十六中學高中部教師，碩士，從事物理實驗教學工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)04-0059-04