斜面上力的分解教学实验仪器的制作方法
专利名称：斜面上力的分解教学实验仪器的制作方法
技术领域：
斜面上力的分解教学实验仪器
技术领域：
本实用新型是用于物理课做《斜面上力的分解》实验的一种实验教具，它用来验证物体在斜面上的力分解的原理，它属于一种教学仪器技术领域。
背景技术：
现有的教学实验和物理实验设备中“斜面上力的分解”采用弹簧秤作为一个测量设备，通过弹簧秤的度数来进行实验，它是将一个被测物体放置在实验仪器上，调整角度， 通过弹簧秤的读数来读取两个力的大小，然后再在纸上描点绘图，通过这种方式来进行“斜面上力的分解”这个实验。但是，这种实验仪器存在弹簧秤读数不准，没法将连续测量的数据读取出来的缺点，在实验中倾斜角度不好控制，读数也不准确，操作不方便，实验误差大， 实验时演示和讲解都非常不便，它也没法利用计算机来辅助教学，在电脑和自动控制技术高度发展的今天，已经显得落后，不适用。现在出现一种较新的实验仪器，它在现在的中学物理教学中使用时较为令人满意。它是名称叫《斜面上力的分解实验器》其专利申请号为200720017883. 2的一种实验仪器。它是由角度刻度尺、底座、支架、重物承重台、和力传感器构成。角度刻度尺被安装在一个底座上，支架的一端铰接在所述的底座上，其另一端与所述的角度刻度尺相连，力传感器的应变片被安装在所述的支架上，在力传感器的应变片上设有重物承物台。使用时，将力传感器与外部的数据采集器连接好，将不同重量、不同规格的重物环形块放在支架的承物台上，再调节好支架的角度，在做实验时只需调节支架的转动角度，即可通过力传感器测量出在不同支架角度时的受力情况，在两个不同斜面上测量到的两个正压力就是某一合力的两个分力。这种斜面上力的分解实验器具有结构简单、使用方便、灵敏度高、误差小等优点。但是凭它的技术公开的内容是无法做到数字直显、直读和利用计算机来实现辅助教学的目的的。但是，专利申请号为200720017883. 2的专利申请所公开的技术方案美中不足的是，凭它所公开的技术方案还不能实现在课堂教学中十分需要和极其有价值的数据采集、显示功能、以及与电脑联机工作的可能；没有能让学生在实验时能一目了然看清数据的显示和物理力学曲线的显示的手段。本实用新型的目的由于传统的实验设备无法方便和准确读数，无法与计算机连接后获得一个直观的图像，也无法进行连续测量，为了克服这个缺点，设计能兼顾常规实验中通过读数来绘图，同时也能利用计算机辅助实验的实验设备，我们设计了这个数字化斜面上“力的分解”实验仪器。为克服上述现有技术的不足也正是本实用新型所要解决的问题。让这样的教具实现自动化、电脑化、使教学效率得以提高就是本实用新型的发明目的。
实用新型内容1. 一种斜面上力的分解实验仪，它由机械部分和电子电路部分两大部分构成，它的机械结构部分包括一个呈圆弧状的扁平的角度刻度尺，角度刻度尺的一端被固定安装在一个水平底座上，另一端为自由端；—个水平底座，它为所述的角度刻度尺和主体支架提供固定连接；一个主体支架，其整体呈角尺形，它有一条长的角边和一条短的角边，两者互相垂直，其90°度拐弯的角端与水平底座构成可转动的铰接，其角尺形主体支架的一条长的角边的自由端与所述的角度刻度尺形成可作相对滑动和锁定的联结，所述的主体支架包括支架面板和支架底板、在支架面板和支架底板合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件和电池，在所说的主体支架的周面上设有一些电气功能件；一个外形为中空圆筒形的重物规块，它通过一个传力支架与力传感器即应变片构成挤压式接触；第一传感器和第二传感器，它们分别被安装在所述的主体支架的长、短角边的向上侧端面的容腔里，力传感器包含有传力支架和应变片，所说的传力支架是一个T字形的螺接件，它自内向外穿出所述的主体支架的长、短角边的向上侧的端面，形成一个接纳重物规块的承接台，其特征在于电子电路包括有以下电路应变片信号输出电路，小信号处理电路，AD数据采集电路，作为电路核心部分的单片机，数码管显示电路，电源管理电路。电子电路按照信息流传递路径的方向排列是应变片信号输出电路、小信号处理电路、AD数据采集电路、单片机、计算机。2，所说的传力支架上有两个减少摩擦力的滚珠轴承，它们是第一滚珠轴承、第二滚珠轴承。3，在支架面板和支架底板合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件，它们包括有第一和第二两个传感器、单片机集成电路、锂电池、第一数码管、第二数码管、及充电设备。4，支架面板和支架底板合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的主体支架的周面上设有电气功能件，它们是第一数码显示窗口、第二数码显示窗口、用于与计算机实现连接的USB接插口、充电指示灯，或电源开关、或数据清零按键。5，所述的单片机是型号为C8051F340的单片机。6，所述的电子电路中有与单片机直接相连的数码管显示电路，数码管显示电路包括有8段共阳红色数码管，它们是第一数码管、第二数码管，显示电路还包括数码管阳极驱
动三极管。7，所述的电子电路中有与单片机直连的电源管理电路，所说的电源管理电路包含有充电管理芯片CN3062、升压芯片MP1542和稳压芯片LM1117。8，所述的电子电路中有一带有数据归零按键的按键电路。9，所说的电路中有小信号处理电路，它包括有运算放大器AD620，带变阻器的放大系数调节电路，和用于调节应变片零点误差的带变阻器的偏置电路。10，所说的AD数据采集电路中带有高精度的16位模数转换芯片ADS1100。11，所述的电子电路中有与单片机直连的蓝牙通讯电路。在此，对本实用新型电子电路的各个电路介绍如下电子电路按照信息流传递路径的方向排列是应变片信号输出电路、小信号处理电路、16位AD数据采集电路、单片机和计算机。当然还有为其供电的电源管理电路，和将数据显示出来的数码管显示电路。本实用新型采用两种传输数据的方式，即，无线和有线传输方式，在采用有线方式传输数据的情况下，电子电路中就不包括蓝牙通讯电路。以下对各个电路进行介绍作为本实用新型电路核心部分的单片机电路，其单片机是采用型号为C8051F340 的单片机。所述的电子电路中有小信号处理电路，它包含有运算放大器AD620 ；包含有传感器放大系数调节电路的调控件的变阻器；包含有应变片输入端FOCRE ；包含有处理好的信号的输出端AIN2 ；包含有作为传感器偏置电路调控件的变阻器，用来调整A部分应变片的零点误差。处理好的信号经AIN输出。因为传感器有两个，所以有相同的两条包含上述特征的电路，它们的关系是平行的。所述的电子电路中有16位AD数据采集电路。它包含有型号为ADS1100的高精度16位模数转换芯片；它包括有放大后的应变片信号输入线SCLK ；它包含有模数转换芯片 ADSl 100和单片机通讯的信号线SDA;因为传感器有两个，所以有相同的包括上述特征的电路，它们之间的关系是平行的。所述的电子电路中有与单片机直接相连的数码管显示电路。它有一个型号为3904 的三极管的驱动电路。所述的电子电路中有与单片机直连的电源管理电路。它有型号为CN3062的充电管理芯片；有型号为MP1542的升压芯片；有型号为LM1117-3. 3v的稳压芯片。所述的电子电路中有与单片机直连的数字归零用的按键电路。所述的电子电路中还可以有与单片机直连的蓝牙通讯电路。它有型号为R)(D0的数据接收线和型号为Tax)的数据发送线。本实用新型的使用是这样的，当教员在台上做实验的时候，首先保证锂电池有充足的电，如电量不足时就需要对其充电。实验开始时，他把重物规块放置到这台仪器的角尺形的主体支架上，仪器立刻就显示出被分解的两个分解的正压力，它会以牛顿为力的计量单位显示在两个数码显示管上，此时做实验的人马上就可以从两个数码显示管上读出数据来。如果他不断地转动主体支架，与各个不同角度对应的两个分力的读数会自动连续变化地显示出来。这是这种仪器最原始的使用方法，它没有电脑来配套，教员无法与众多学生共享实验。作实验的人可以在数码显示管上读到两个被分解的分力的牛顿数。第二种使用方法是要让学生能同时观看实验的过程，这时候学生也配备作为数据采集器的电脑，实验的结果就会显示在他们的电脑上。根据软件的功能，实验数据还可以被电脑转换成数据直方图或力对应于角度的曲线图来。本实用新型的优点在于它是一种整体式的数字化教具，采集到的动态数据可以即时地显示在数码管上，一目了然，物体的倾斜角度通过角度尺可准确地获得、读取。这种仪器方便携带也是一个优点。这是一种用教具来直接读取实验数据的教学仪器，由于采用了精度很高的应变片来获取实验数据，所以，所读取的实验数据精度要高得多。在教具上安装的USB数据输出口可以通过连线直接与计算机相连。通过作为采集器的电脑和仪器的配合，众多学生可以在课堂上与教师一同共享实验，还可以利用电脑的软件为实验数据做数字化的分析图形如直方图和反映力和角度之间关系的物理曲线图，便于教师能更好地完成自己的教学任务。
图1是本实用新型的第一实施例的总体结构立体视图。图2是本实用新型第一实施例的角度锁定装置的立体图。图3是本实用新型第一实施例的传感器总成立体图。图4是本实用新型第一实施例的主体支架的支架面板和支架底板的立体图。图5是本实用新型第一实施例的电路原理方框图。图6是本实用新型第一实施例的单片机部分电路图。图7A是本实用新型第一实施例的1号传感器小信号处理电路图。图7B是本实用新型第一实施例的2号传感器小信号处理电路图。图8A是本实用新型第一实施例第一传感器的AD数据采集部分电路图。图8B是本实用新型第一实施例第二传感器的AD数据采集部分电路图。图9是本实用新型第一实施例的数码管显示电路。图10是本实用新型第一实施例的电源管理电路。图11是本实用新型第一实施例的数据归零按键电路。图12是本实用新型第一实施例的蓝牙通讯电路图。
具体实施例本实用新型第一实施例，它的技术方案包括两大部分，第一部分是总体机械结构部分，它包括以下构件图1是本实用新型第一实施例的总体机械装配结构图。主体支架1，其整体呈角尺形，呈圆弧状的扁平的角度刻度尺3被安装在一个水平底座2上，其角端与水平底座2构成可转动的角端铰接，水平底座2是钣金件，它带有位于底部的四个调节螺钉12，以保持其水平度水平。角尺形主体支架1的一条长角边的自由端与所述的圆弧形的扁平角度刻度尺3形成可作相对滑动的联结，在其自由端有一条供角度刻度尺3通过的扁平槽，在槽板面上有夹紧螺钉4 (见图2~)，当主体支架1转动到某一角度欲固定时，旋紧螺钉4就可以将该角度锁定。所述的主体支架1包括支架面板5和支架底板6，在支架面板5和支架底板6合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的空腔里容纳有本实用新型的全套电子电路器件和锂电池。在实验中，被测物体是外形为中空圆筒形的重物规块7，它通过一个传力支架8与力传感器9a、9b的应变片构成挤压式接触，每一规块有不同的重量规定。力传感器9a、9b的应变片被安装在所述的主体支架1的支架面板5和支架底板6 两者合拢所形成的容腔内，在主体支架1上互成90°度的两个角边上各安装有一个力传感器9a、9b，它包含有传力支架8和应变片9'。所述的应变片9'与传力支架8是相互螺接固定为一体的(见图幻。传力支架8它是T字形的螺接件，其两端各装配有一个滚珠轴承 10和10'，它们的螺柱与传感器的应变片9'相互螺接后，它的T字头自内向外穿出主体支架1的两条直角边朝上的端面，向外穿出以迎接重物规块7的搁置，负责将一个重物规块7
7的正压力传递至应变片9'。第一、第二滚珠轴承10和10'的作用是减少重物规块7与其接触时的摩擦，以提高测量的精确度。主体支架1的支架面板5和支架底板6分开后(见图4)，A是显示其支架面板5上的布置，在其外表面上有设有第一数码管11、第二数码管 11'的数据显示窗口位置16、16'。B为主体支架1的底板6的布置，在底板的外表面上13是布置第一传感器9a的位置，13'是布置第二传感器9b的位置。在主体支架1的周面上设有电源开关14、数据归零按键15、第一数据显示窗口 16、 第二数据显示窗口 16'、充电指示灯17，与电脑连接用的USB插口 18、USB插口 18既具有通讯功能又具备为锂电池19充电的功能。USB插口一方面可以PC通讯，另外一方面可以通过USB插口 18的5v电源对内置的锂电池19进行充电。图5是第一实施例的电子电路的总体方框图。第一实施例的电子电路的构成包括以下基本电路，以自传感信号发出端为起始端一直往后到计算机为止，它们是以下一些电路首先是应变片信号输出电路20、接着是小信号处理电路21、再就是16位AD模数转换数据采集电路22、其后就是核心部分单片机23，在单片机23上方的方框电路是数码管显示电路对，在单片机23，下方的方框电路是电源管理电路25，单片机23与带数据归零按键15的按键电路41直连，与单片机23直连的蓝牙通讯电路40。系统工作流程如下应变片9'采集到的微弱力信号经小信号处理电路21放大并加入可调节偏置电路、放大系数调节电路，处理后送外部16位高精度AD模数转换数据采集电路22进行模数转换，单片机23通过I2C接口获取AD数据后量化处理为实际的压力数据，这些数据可以通过数码管11、11'显示出来，亦可通过USB插口 18或蓝牙通讯电路40发到电脑进行进一步的处理。系统电源管理电路25为整个系统提供稳定低噪音电源；按键15可提供力数据的清零，反向等人机交互的处理。图6是本实用新型第一实施例的单片机电路23。本实施例使用的单片机，内置USB插口，其主频可达48MHZ。单片机是C8051F340 单片机23，内置USB插口 18。引脚定义介绍LED_CS1——LED_CS8 为8位数码管的片选信号，DO——D7 数码管的8根数据线，8位数码管的数据线是共享的，SLKl, SDAl ；SLK2, SDA2 ；2 片 16 位 AD 的数据线，LINK_ST, CMD 蓝牙通讯电路的控制线，LED1，LED_BAT1 指示灯控制线，KEY:按键检测控制线，
8[0081]USB_D+, USB_D-单片机USB接口数据线，连接电脑USB接口，RST, P20单片机复位信号和程序烧录控制线，BAT_DET 电池电压监测信号线，AINl+, AIN2+应变片信号输入信号，单片机可通过内部高速AD获得高速的应变片数据采集XTALl，XTAL2晶振信号输入。图7A、7B是本实用新型第一实施例的小信号处理电路21。它是应变片9'的前端放大电路。因为应变片9'输出的模拟电压信号的强度都在mv级，需要进一步放大才方便AD处理。本方案采用常见的仪用运算放大器AD620，为了校正应变片因生产工艺导致的零点误差，线性误差，电路设计上加入可调整偏置电路，放大系数调节电路。通过多圈可调电阻对参数细致的调节可保证测量到的压力信号获得良好的准确性和一致性。因为本仪器有两个力传感器9a、9b，所以，小信号处理电路有A、B两电路， A部分代表1号力应变片信号放大电路，B部分代表2号力应变片信号放大电路。1号传感器小信号处理电路中的运算放大器^5(AD620)是A部分1号力应变片信号放大电路，F0CRE1-, FOCREl+为1号应变片输入端，变阻器27构成1号力传感器放大系数调节电路的调控件，用来调整修正A部分AD620的放大倍数；变阻器观构成1号力传感器偏置电路的调控件用来调整A部分应变片的零点误差。处理好的信号经AINl+输出。2号传感器小信号处理电路中运算放大器四(AD620)是B部分2号力应变片信号放大电路，F0CRE2-, F0CRE2+为2号应变片信号输入端，变阻器30是2号力应变片信号放大电路中放大系数调节电路的调控件，变阻器31是2号力应变片信号放大电路中偏置电路的调控件，用来调整B部分传感器应变片的零点误差。处理好的信号经AIN2+输出。图8A是本实用新型第一实施例第一传感器9a的AD数据采集(A部分)电路图。模数转换器是采用高精度16位模数转换芯片，其型号为ADS1100。因为本实用新型的仪器有两个力传感器的数据需要传送和处理，所以需要有两个通道来工作。每个通道都采用一个高精度16位模数转换芯片。因为斜面力的量程是+-50N，最小分辨力为0. 01N, 因此这里采用了一款高精度16位模数转换芯片32和33，采样速度最高U8HZ，可以应付大多数的实验要求。通过I2C总线单片机可以获取32和33采集到的数据，单片机23通过一定的算法处理最终映射为压力数据送到数码管显示。32为A部分1号应变片9'信号放大后AD数据采集部分。图8B为本实用新型第一实施例第二传感器9b的AD数据采集(B部分)电路图。它是2号应变片信号放大后模数转换芯片33的AD数据采集电路图。AIN1+、AIN2+是放大后的应变片信号输入，SCLKl、SDAl，SCLK2、SDA2，是模数转换芯片ADS1100和单片机23通讯的信号线。通过I2C总线单片机可以获取ADS1100采集到的数据，单片机通过一定的算法处理最终映射为压力数据送到第一数码管11、第二数码管 11'进行显示。图9是本实用新型第一实施例数码管显示电路对。斜面力用到了两组力传感器，每组可显示四位数值，因此一共用到8只数码管。电路显示的是第一、第二数码管11、11'的驱动电路，选用的是8段共阳数码管，每个数码管
911、11'的公共端接以单片机23驱动的三极管34(型号3904)驱动，各段引脚直接引入单片机IO 口，单片机23以动态扫描的方式点亮显示数据。数码管11、11'是8段共阳红色数码管(型号SM410304)，34是数码管阳极驱动三极管，三极管34的发射极连接数码管11、 11'的公共端，由单片机23控制三极管；34导通截止，以控制数码管11、11'的点亮和熄灭。图10是本实用新型第一实施例的电源管理电路25。USB接口一方面可以PC通讯，另外一方面可以通过USB接口的5v电源对内置的锂电池19进行充电，图上芯片(CN3062)就是对锂电池充电管理的芯片35，该芯片驱动3 色LED灯36对充电状态指示，红色表示正在充电中，绿色表示充电完毕。为了保证后续小信号处理电路的供电稳定，升压芯片37(芯片型号MP1542)对锂电池19电压进行了升压处理，升压稳定到5v，这样即便在锂电池19电量下降电压降低的情况下后端供电电压也能稳定在5v，保证放大电路的性能稳定，减少电源波动影响；芯片38(型号LM1117-3. 3V)是稳压芯片，主要给单片机提供3. 3v的工作电源。工作流程如下充电管理芯片35对锂电池19充电进行管理，锂电池19通过电源开关14对37升压电路供电，获得5V电压，5V电源对稳压芯片38供电获得3. 3V系统电源。图11是本实用新型第一实施例的数据归零按键电路41。斜面力教具要对应变片数据进行归零，反向处理，短按此按键15时可进行归零操作，长按按键15反向操作。不按按键15时信号线39为低电平，按下按键15时信号线39 为高电平，按键信号39由单片机23采集处理。图12是本实用新型第一实施例的蓝牙通讯电路图40。蓝牙通讯选用第三方公司提供的蓝牙通讯电路，该电路40可和标准蓝牙适配器连接，连接后建立双向数据传输链路，配合本公司专用软件可和本教具进行数据交互，以实现蓝牙通讯。RXDO，T)(D0是蓝牙通讯电路和单片机通讯的接口。RXDO是数据接收的数据线，T)(D0是数据发送的数据线。本实用新型的第二实施例，它是一种有线的工作方式的斜面上力的分解教学实验仪器，它的结构包括自图1至图11的结构，但它不用无线通讯，采用简单的本仪器对电脑有线连接的方式传递数据，只通过USB插口 18和电脑数据交互，此时不需要内部锂电池19，可通过外部电源或USB插口 18电源供电。在纯有线工作方式时，蓝牙通讯电路40部分不需焊接，对锂电池19的充电管理部分无需焊接，即36，35，19不需焊接。本实用新型的使用是这样的，当教员在台上做实验的时候不用电脑，首先他把重物规块7放置到这台仪器的角尺形的主体支架1上，仪器立刻就显示出被分解的两个分离的正压力，它会以牛顿为力的计量单位显示在两个数码显示管11、11'上，此时做实验的人马上就可以从两个数码显示管11、11'上读出数据来。如果他不断地转动主体支架1，与各个不同角度对应的两个分力的读数会自动连续地显示出来。这是这种仪器最原始的使用方法。第二种使用方法是要让学生能同时观看实验的过程，非常直观地共享实验教学课程。这时候学生也配备作为数据采集器的电脑，实验的结果就会显示在他们的电脑上。根据软件的功能，对于实验数据还可以被电脑转换成数据直方图或力对应于角度的曲线图来。根据学生与教员的距离约10米至20米的距离，可以采用蓝牙遥控的方式传送数据，这是本实用新型第一实施例中公开的方法。这是以无线传送的方式与学生一起共享实验数据，但成本较高。如要降低成本，可以采取电脑间有线连接的方式，即本实用新型实施例二中介绍的方法，这要在教员的实验设备上与学生的电脑之间加上传送数据的连线。
权利要求1.一种斜面上力的分解实验仪，它由机械部分和电子电路部分两大部分构成，它的机械结构部分包括一个呈圆弧状的扁平的角度刻度尺，角度刻度尺(3)的一端被固定安装在一个水平底座上O)，另一端为自由端；一个水平底座O)，它为所述的角度刻度尺C3)和主体支架(1)提供固定连接；一个主体支架(1)，其整体呈角尺形，它有一条长的角边和一条短的角边，两者互相垂直，其90°度拐弯的角端与水平底座( 构成可转动的铰接，其角尺形主体支架(1)的一条长的角边的自由端与所述的角度刻度尺C3)形成可作相对滑动和锁定的联结，所述的主体支架(1)包括支架面板和支架底板、在支架面板( 和支架底板(6)合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件和电池，在所说的主体支架(1)的周面上设有一些电气功能件；一个外形为中空圆筒形的重物规块(7)，它通过一个传力支架(8)与力传感器即应变片构成挤压式接触；第一传感器(9a)和第二传感器(9b)它们分别被安装在所述的主体支架(1)的长、短角边的向上侧端面的容腔里，力传感器包含有传力支架(8)和应变片(9')，所说的传力支架(8)是一个T字形的螺接件，它自内向外穿出所述的主体支架(1)的长、短角边的向上侧的端面，形成一个接纳重物规块(7)的承接台，其特征在于电子电路包括有以下电路应变片信号输出电路00)，小信号处理电路，AD数据采集电路(22)，作为电路核心部分的单片机(23)，数码显示电路04)，电源管理电路05)， 电子电路按照信息流传递路径的方向排列是应变片信号输出电路(20)、小信号处理电路 (21)、AD数据采集电路(22)、单片机(23)、计算机。
2.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所说的传力支架(8)上有两个减少摩擦力的滚珠轴承，它们是第一滚珠轴承(10)、第二滚珠轴承(10')。
3.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是在支架面板(5)和支架底板(6)合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件，它们包括有第一传感器(9a)和第二传感器(9b)、单片机集成电路、锂电池(19)、第一数码管(11)、第二数码管(11')、及充电设备。
4.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是支架面板(5)和支架底板 (6)合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的主体支架(1)的周面上设有电气功能件，它们是第一数码显示窗口(16)、第二数码显示窗口(16')、用于与计算机实现连接的USB插口(18)、充电指示灯(17)，或电源开关(14)、或数据清零按键(15)。
5.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是于所述的单片机03)是型号为C8051F340的单片机。
6.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是在于所述的电子电路中有与单片机直接相连的数码管显示电路(M)，数码管显示电路04)包括有8段共阳红色数码管，它们是第一数码管(11)、第二数码管(11')，数码管显示电路还包括数码管阳极驱动三极管(34)。
7.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所述的电子电路中有与单片机03)直连的电源管理电路(25)，所说的电源管理电路0 包含有充电管理芯片CN3062 (35)、升压芯片 MP1542(37)和稳压芯片 LMl 117 (38)。
8.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所述的电子电路中有一带有数据归零按键(15)的按键电路01)。
9.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所说的电子电路中有小信号处理电路(21)，它进一步包括有运算放大器AD620Q6)，带变阻器(30)的放大系数调节电路，和用于调节应变片零点误差的带变阻器(31)的偏置电路。
10.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所说的AD数据采集电路 (22)中带有高精度的16位模数转换芯片ADS1100。
11.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所述的电子电路中有与单片机03)直连的无线蓝牙通讯的电路00)。
专利摘要本实用新型涉及教学实验仪器，它是为力的合成与分解做实验的仪器。现有的这种仪器缺少精确地将实验数据现场显示的整体化方案，也没有实验仪器直接与计算机连接使用的智能化手段，无法实现连续动态的数据测量。本实用新型的目的就是要实现这种教学仪器的整体化、智能化。它包括有角度刻度尺、水平底座、主体支架，包括重物规块、力传感器，在中空的主体支架容腔里容纳有全套电子电路器件。其电子电路部分包括应变信号输出电路、小信号处理电路，放大系数微调电路、偏移调节电路、16位AD数据采集电路、单片机电路，数码显示管及其电路、数据归零按键及其电路、充电指示灯及其电路、电源开关、电源接口，锂电池、与电脑连接的USB接口，它既具有通讯功能又具备充电功能。
文档编号G09B23/10GK202258037SQ20102067752
公开日2012年5月30日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者杨磊, 董德通 申请人:上海辰昊信息科技有限公司
技术领域：
斜面上力的分解教学实验仪器
技术领域：
本实用新型是用于物理课做《斜面上力的分解》实验的一种实验教具，它用来验证物体在斜面上的力分解的原理，它属于一种教学仪器技术领域。
背景技术：
现有的教学实验和物理实验设备中“斜面上力的分解”采用弹簧秤作为一个测量设备，通过弹簧秤的度数来进行实验，它是将一个被测物体放置在实验仪器上，调整角度， 通过弹簧秤的读数来读取两个力的大小，然后再在纸上描点绘图，通过这种方式来进行“斜面上力的分解”这个实验。但是，这种实验仪器存在弹簧秤读数不准，没法将连续测量的数据读取出来的缺点，在实验中倾斜角度不好控制，读数也不准确，操作不方便，实验误差大， 实验时演示和讲解都非常不便，它也没法利用计算机来辅助教学，在电脑和自动控制技术高度发展的今天，已经显得落后，不适用。现在出现一种较新的实验仪器，它在现在的中学物理教学中使用时较为令人满意。它是名称叫《斜面上力的分解实验器》其专利申请号为200720017883. 2的一种实验仪器。它是由角度刻度尺、底座、支架、重物承重台、和力传感器构成。角度刻度尺被安装在一个底座上，支架的一端铰接在所述的底座上，其另一端与所述的角度刻度尺相连，力传感器的应变片被安装在所述的支架上，在力传感器的应变片上设有重物承物台。使用时，将力传感器与外部的数据采集器连接好，将不同重量、不同规格的重物环形块放在支架的承物台上，再调节好支架的角度，在做实验时只需调节支架的转动角度，即可通过力传感器测量出在不同支架角度时的受力情况，在两个不同斜面上测量到的两个正压力就是某一合力的两个分力。这种斜面上力的分解实验器具有结构简单、使用方便、灵敏度高、误差小等优点。但是凭它的技术公开的内容是无法做到数字直显、直读和利用计算机来实现辅助教学的目的的。但是，专利申请号为200720017883. 2的专利申请所公开的技术方案美中不足的是，凭它所公开的技术方案还不能实现在课堂教学中十分需要和极其有价值的数据采集、显示功能、以及与电脑联机工作的可能；没有能让学生在实验时能一目了然看清数据的显示和物理力学曲线的显示的手段。本实用新型的目的由于传统的实验设备无法方便和准确读数，无法与计算机连接后获得一个直观的图像，也无法进行连续测量，为了克服这个缺点，设计能兼顾常规实验中通过读数来绘图，同时也能利用计算机辅助实验的实验设备，我们设计了这个数字化斜面上“力的分解”实验仪器。为克服上述现有技术的不足也正是本实用新型所要解决的问题。让这样的教具实现自动化、电脑化、使教学效率得以提高就是本实用新型的发明目的。
实用新型内容1. 一种斜面上力的分解实验仪，它由机械部分和电子电路部分两大部分构成，它的机械结构部分包括一个呈圆弧状的扁平的角度刻度尺，角度刻度尺的一端被固定安装在一个水平底座上，另一端为自由端；—个水平底座，它为所述的角度刻度尺和主体支架提供固定连接；一个主体支架，其整体呈角尺形，它有一条长的角边和一条短的角边，两者互相垂直，其90°度拐弯的角端与水平底座构成可转动的铰接，其角尺形主体支架的一条长的角边的自由端与所述的角度刻度尺形成可作相对滑动和锁定的联结，所述的主体支架包括支架面板和支架底板、在支架面板和支架底板合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件和电池，在所说的主体支架的周面上设有一些电气功能件；一个外形为中空圆筒形的重物规块，它通过一个传力支架与力传感器即应变片构成挤压式接触；第一传感器和第二传感器，它们分别被安装在所述的主体支架的长、短角边的向上侧端面的容腔里，力传感器包含有传力支架和应变片，所说的传力支架是一个T字形的螺接件，它自内向外穿出所述的主体支架的长、短角边的向上侧的端面，形成一个接纳重物规块的承接台，其特征在于电子电路包括有以下电路应变片信号输出电路，小信号处理电路，AD数据采集电路，作为电路核心部分的单片机，数码管显示电路，电源管理电路。电子电路按照信息流传递路径的方向排列是应变片信号输出电路、小信号处理电路、AD数据采集电路、单片机、计算机。2，所说的传力支架上有两个减少摩擦力的滚珠轴承，它们是第一滚珠轴承、第二滚珠轴承。3，在支架面板和支架底板合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件，它们包括有第一和第二两个传感器、单片机集成电路、锂电池、第一数码管、第二数码管、及充电设备。4，支架面板和支架底板合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的主体支架的周面上设有电气功能件，它们是第一数码显示窗口、第二数码显示窗口、用于与计算机实现连接的USB接插口、充电指示灯，或电源开关、或数据清零按键。5，所述的单片机是型号为C8051F340的单片机。6，所述的电子电路中有与单片机直接相连的数码管显示电路，数码管显示电路包括有8段共阳红色数码管，它们是第一数码管、第二数码管，显示电路还包括数码管阳极驱
动三极管。7，所述的电子电路中有与单片机直连的电源管理电路，所说的电源管理电路包含有充电管理芯片CN3062、升压芯片MP1542和稳压芯片LM1117。8，所述的电子电路中有一带有数据归零按键的按键电路。9，所说的电路中有小信号处理电路，它包括有运算放大器AD620，带变阻器的放大系数调节电路，和用于调节应变片零点误差的带变阻器的偏置电路。10，所说的AD数据采集电路中带有高精度的16位模数转换芯片ADS1100。11，所述的电子电路中有与单片机直连的蓝牙通讯电路。在此，对本实用新型电子电路的各个电路介绍如下电子电路按照信息流传递路径的方向排列是应变片信号输出电路、小信号处理电路、16位AD数据采集电路、单片机和计算机。当然还有为其供电的电源管理电路，和将数据显示出来的数码管显示电路。本实用新型采用两种传输数据的方式，即，无线和有线传输方式，在采用有线方式传输数据的情况下，电子电路中就不包括蓝牙通讯电路。以下对各个电路进行介绍作为本实用新型电路核心部分的单片机电路，其单片机是采用型号为C8051F340 的单片机。所述的电子电路中有小信号处理电路，它包含有运算放大器AD620 ；包含有传感器放大系数调节电路的调控件的变阻器；包含有应变片输入端FOCRE ；包含有处理好的信号的输出端AIN2 ；包含有作为传感器偏置电路调控件的变阻器，用来调整A部分应变片的零点误差。处理好的信号经AIN输出。因为传感器有两个，所以有相同的两条包含上述特征的电路，它们的关系是平行的。所述的电子电路中有16位AD数据采集电路。它包含有型号为ADS1100的高精度16位模数转换芯片；它包括有放大后的应变片信号输入线SCLK ；它包含有模数转换芯片 ADSl 100和单片机通讯的信号线SDA;因为传感器有两个，所以有相同的包括上述特征的电路，它们之间的关系是平行的。所述的电子电路中有与单片机直接相连的数码管显示电路。它有一个型号为3904 的三极管的驱动电路。所述的电子电路中有与单片机直连的电源管理电路。它有型号为CN3062的充电管理芯片；有型号为MP1542的升压芯片；有型号为LM1117-3. 3v的稳压芯片。所述的电子电路中有与单片机直连的数字归零用的按键电路。所述的电子电路中还可以有与单片机直连的蓝牙通讯电路。它有型号为R)(D0的数据接收线和型号为Tax)的数据发送线。本实用新型的使用是这样的，当教员在台上做实验的时候，首先保证锂电池有充足的电，如电量不足时就需要对其充电。实验开始时，他把重物规块放置到这台仪器的角尺形的主体支架上，仪器立刻就显示出被分解的两个分解的正压力，它会以牛顿为力的计量单位显示在两个数码显示管上，此时做实验的人马上就可以从两个数码显示管上读出数据来。如果他不断地转动主体支架，与各个不同角度对应的两个分力的读数会自动连续变化地显示出来。这是这种仪器最原始的使用方法，它没有电脑来配套，教员无法与众多学生共享实验。作实验的人可以在数码显示管上读到两个被分解的分力的牛顿数。第二种使用方法是要让学生能同时观看实验的过程，这时候学生也配备作为数据采集器的电脑，实验的结果就会显示在他们的电脑上。根据软件的功能，实验数据还可以被电脑转换成数据直方图或力对应于角度的曲线图来。本实用新型的优点在于它是一种整体式的数字化教具，采集到的动态数据可以即时地显示在数码管上，一目了然，物体的倾斜角度通过角度尺可准确地获得、读取。这种仪器方便携带也是一个优点。这是一种用教具来直接读取实验数据的教学仪器，由于采用了精度很高的应变片来获取实验数据，所以，所读取的实验数据精度要高得多。在教具上安装的USB数据输出口可以通过连线直接与计算机相连。通过作为采集器的电脑和仪器的配合，众多学生可以在课堂上与教师一同共享实验，还可以利用电脑的软件为实验数据做数字化的分析图形如直方图和反映力和角度之间关系的物理曲线图，便于教师能更好地完成自己的教学任务。
图1是本实用新型的第一实施例的总体结构立体视图。图2是本实用新型第一实施例的角度锁定装置的立体图。图3是本实用新型第一实施例的传感器总成立体图。图4是本实用新型第一实施例的主体支架的支架面板和支架底板的立体图。图5是本实用新型第一实施例的电路原理方框图。图6是本实用新型第一实施例的单片机部分电路图。图7A是本实用新型第一实施例的1号传感器小信号处理电路图。图7B是本实用新型第一实施例的2号传感器小信号处理电路图。图8A是本实用新型第一实施例第一传感器的AD数据采集部分电路图。图8B是本实用新型第一实施例第二传感器的AD数据采集部分电路图。图9是本实用新型第一实施例的数码管显示电路。图10是本实用新型第一实施例的电源管理电路。图11是本实用新型第一实施例的数据归零按键电路。图12是本实用新型第一实施例的蓝牙通讯电路图。
具体实施例本实用新型第一实施例，它的技术方案包括两大部分，第一部分是总体机械结构部分，它包括以下构件图1是本实用新型第一实施例的总体机械装配结构图。主体支架1，其整体呈角尺形，呈圆弧状的扁平的角度刻度尺3被安装在一个水平底座2上，其角端与水平底座2构成可转动的角端铰接，水平底座2是钣金件，它带有位于底部的四个调节螺钉12，以保持其水平度水平。角尺形主体支架1的一条长角边的自由端与所述的圆弧形的扁平角度刻度尺3形成可作相对滑动的联结，在其自由端有一条供角度刻度尺3通过的扁平槽，在槽板面上有夹紧螺钉4 (见图2~)，当主体支架1转动到某一角度欲固定时，旋紧螺钉4就可以将该角度锁定。所述的主体支架1包括支架面板5和支架底板6，在支架面板5和支架底板6合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的空腔里容纳有本实用新型的全套电子电路器件和锂电池。在实验中，被测物体是外形为中空圆筒形的重物规块7，它通过一个传力支架8与力传感器9a、9b的应变片构成挤压式接触，每一规块有不同的重量规定。力传感器9a、9b的应变片被安装在所述的主体支架1的支架面板5和支架底板6 两者合拢所形成的容腔内，在主体支架1上互成90°度的两个角边上各安装有一个力传感器9a、9b，它包含有传力支架8和应变片9'。所述的应变片9'与传力支架8是相互螺接固定为一体的(见图幻。传力支架8它是T字形的螺接件，其两端各装配有一个滚珠轴承 10和10'，它们的螺柱与传感器的应变片9'相互螺接后，它的T字头自内向外穿出主体支架1的两条直角边朝上的端面，向外穿出以迎接重物规块7的搁置，负责将一个重物规块7
7的正压力传递至应变片9'。第一、第二滚珠轴承10和10'的作用是减少重物规块7与其接触时的摩擦，以提高测量的精确度。主体支架1的支架面板5和支架底板6分开后(见图4)，A是显示其支架面板5上的布置，在其外表面上有设有第一数码管11、第二数码管 11'的数据显示窗口位置16、16'。B为主体支架1的底板6的布置，在底板的外表面上13是布置第一传感器9a的位置，13'是布置第二传感器9b的位置。在主体支架1的周面上设有电源开关14、数据归零按键15、第一数据显示窗口 16、 第二数据显示窗口 16'、充电指示灯17，与电脑连接用的USB插口 18、USB插口 18既具有通讯功能又具备为锂电池19充电的功能。USB插口一方面可以PC通讯，另外一方面可以通过USB插口 18的5v电源对内置的锂电池19进行充电。图5是第一实施例的电子电路的总体方框图。第一实施例的电子电路的构成包括以下基本电路，以自传感信号发出端为起始端一直往后到计算机为止，它们是以下一些电路首先是应变片信号输出电路20、接着是小信号处理电路21、再就是16位AD模数转换数据采集电路22、其后就是核心部分单片机23，在单片机23上方的方框电路是数码管显示电路对，在单片机23，下方的方框电路是电源管理电路25，单片机23与带数据归零按键15的按键电路41直连，与单片机23直连的蓝牙通讯电路40。系统工作流程如下应变片9'采集到的微弱力信号经小信号处理电路21放大并加入可调节偏置电路、放大系数调节电路，处理后送外部16位高精度AD模数转换数据采集电路22进行模数转换，单片机23通过I2C接口获取AD数据后量化处理为实际的压力数据，这些数据可以通过数码管11、11'显示出来，亦可通过USB插口 18或蓝牙通讯电路40发到电脑进行进一步的处理。系统电源管理电路25为整个系统提供稳定低噪音电源；按键15可提供力数据的清零，反向等人机交互的处理。图6是本实用新型第一实施例的单片机电路23。本实施例使用的单片机，内置USB插口，其主频可达48MHZ。单片机是C8051F340 单片机23，内置USB插口 18。引脚定义介绍LED_CS1——LED_CS8 为8位数码管的片选信号，DO——D7 数码管的8根数据线，8位数码管的数据线是共享的，SLKl, SDAl ；SLK2, SDA2 ；2 片 16 位 AD 的数据线，LINK_ST, CMD 蓝牙通讯电路的控制线，LED1，LED_BAT1 指示灯控制线，KEY:按键检测控制线，
8[0081]USB_D+, USB_D-单片机USB接口数据线，连接电脑USB接口，RST, P20单片机复位信号和程序烧录控制线，BAT_DET 电池电压监测信号线，AINl+, AIN2+应变片信号输入信号，单片机可通过内部高速AD获得高速的应变片数据采集XTALl，XTAL2晶振信号输入。图7A、7B是本实用新型第一实施例的小信号处理电路21。它是应变片9'的前端放大电路。因为应变片9'输出的模拟电压信号的强度都在mv级，需要进一步放大才方便AD处理。本方案采用常见的仪用运算放大器AD620，为了校正应变片因生产工艺导致的零点误差，线性误差，电路设计上加入可调整偏置电路，放大系数调节电路。通过多圈可调电阻对参数细致的调节可保证测量到的压力信号获得良好的准确性和一致性。因为本仪器有两个力传感器9a、9b，所以，小信号处理电路有A、B两电路， A部分代表1号力应变片信号放大电路，B部分代表2号力应变片信号放大电路。1号传感器小信号处理电路中的运算放大器^5(AD620)是A部分1号力应变片信号放大电路，F0CRE1-, FOCREl+为1号应变片输入端，变阻器27构成1号力传感器放大系数调节电路的调控件，用来调整修正A部分AD620的放大倍数；变阻器观构成1号力传感器偏置电路的调控件用来调整A部分应变片的零点误差。处理好的信号经AINl+输出。2号传感器小信号处理电路中运算放大器四(AD620)是B部分2号力应变片信号放大电路，F0CRE2-, F0CRE2+为2号应变片信号输入端，变阻器30是2号力应变片信号放大电路中放大系数调节电路的调控件，变阻器31是2号力应变片信号放大电路中偏置电路的调控件，用来调整B部分传感器应变片的零点误差。处理好的信号经AIN2+输出。图8A是本实用新型第一实施例第一传感器9a的AD数据采集(A部分)电路图。模数转换器是采用高精度16位模数转换芯片，其型号为ADS1100。因为本实用新型的仪器有两个力传感器的数据需要传送和处理，所以需要有两个通道来工作。每个通道都采用一个高精度16位模数转换芯片。因为斜面力的量程是+-50N，最小分辨力为0. 01N, 因此这里采用了一款高精度16位模数转换芯片32和33，采样速度最高U8HZ，可以应付大多数的实验要求。通过I2C总线单片机可以获取32和33采集到的数据，单片机23通过一定的算法处理最终映射为压力数据送到数码管显示。32为A部分1号应变片9'信号放大后AD数据采集部分。图8B为本实用新型第一实施例第二传感器9b的AD数据采集(B部分)电路图。它是2号应变片信号放大后模数转换芯片33的AD数据采集电路图。AIN1+、AIN2+是放大后的应变片信号输入，SCLKl、SDAl，SCLK2、SDA2，是模数转换芯片ADS1100和单片机23通讯的信号线。通过I2C总线单片机可以获取ADS1100采集到的数据，单片机通过一定的算法处理最终映射为压力数据送到第一数码管11、第二数码管 11'进行显示。图9是本实用新型第一实施例数码管显示电路对。斜面力用到了两组力传感器，每组可显示四位数值，因此一共用到8只数码管。电路显示的是第一、第二数码管11、11'的驱动电路，选用的是8段共阳数码管，每个数码管
911、11'的公共端接以单片机23驱动的三极管34(型号3904)驱动，各段引脚直接引入单片机IO 口，单片机23以动态扫描的方式点亮显示数据。数码管11、11'是8段共阳红色数码管(型号SM410304)，34是数码管阳极驱动三极管，三极管34的发射极连接数码管11、 11'的公共端，由单片机23控制三极管；34导通截止，以控制数码管11、11'的点亮和熄灭。图10是本实用新型第一实施例的电源管理电路25。USB接口一方面可以PC通讯，另外一方面可以通过USB接口的5v电源对内置的锂电池19进行充电，图上芯片(CN3062)就是对锂电池充电管理的芯片35，该芯片驱动3 色LED灯36对充电状态指示，红色表示正在充电中，绿色表示充电完毕。为了保证后续小信号处理电路的供电稳定，升压芯片37(芯片型号MP1542)对锂电池19电压进行了升压处理，升压稳定到5v，这样即便在锂电池19电量下降电压降低的情况下后端供电电压也能稳定在5v，保证放大电路的性能稳定，减少电源波动影响；芯片38(型号LM1117-3. 3V)是稳压芯片，主要给单片机提供3. 3v的工作电源。工作流程如下充电管理芯片35对锂电池19充电进行管理，锂电池19通过电源开关14对37升压电路供电，获得5V电压，5V电源对稳压芯片38供电获得3. 3V系统电源。图11是本实用新型第一实施例的数据归零按键电路41。斜面力教具要对应变片数据进行归零，反向处理，短按此按键15时可进行归零操作，长按按键15反向操作。不按按键15时信号线39为低电平，按下按键15时信号线39 为高电平，按键信号39由单片机23采集处理。图12是本实用新型第一实施例的蓝牙通讯电路图40。蓝牙通讯选用第三方公司提供的蓝牙通讯电路，该电路40可和标准蓝牙适配器连接，连接后建立双向数据传输链路，配合本公司专用软件可和本教具进行数据交互，以实现蓝牙通讯。RXDO，T)(D0是蓝牙通讯电路和单片机通讯的接口。RXDO是数据接收的数据线，T)(D0是数据发送的数据线。本实用新型的第二实施例，它是一种有线的工作方式的斜面上力的分解教学实验仪器，它的结构包括自图1至图11的结构，但它不用无线通讯，采用简单的本仪器对电脑有线连接的方式传递数据，只通过USB插口 18和电脑数据交互，此时不需要内部锂电池19，可通过外部电源或USB插口 18电源供电。在纯有线工作方式时，蓝牙通讯电路40部分不需焊接，对锂电池19的充电管理部分无需焊接，即36，35，19不需焊接。本实用新型的使用是这样的，当教员在台上做实验的时候不用电脑，首先他把重物规块7放置到这台仪器的角尺形的主体支架1上，仪器立刻就显示出被分解的两个分离的正压力，它会以牛顿为力的计量单位显示在两个数码显示管11、11'上，此时做实验的人马上就可以从两个数码显示管11、11'上读出数据来。如果他不断地转动主体支架1，与各个不同角度对应的两个分力的读数会自动连续地显示出来。这是这种仪器最原始的使用方法。第二种使用方法是要让学生能同时观看实验的过程，非常直观地共享实验教学课程。这时候学生也配备作为数据采集器的电脑，实验的结果就会显示在他们的电脑上。根据软件的功能，对于实验数据还可以被电脑转换成数据直方图或力对应于角度的曲线图来。根据学生与教员的距离约10米至20米的距离，可以采用蓝牙遥控的方式传送数据，这是本实用新型第一实施例中公开的方法。这是以无线传送的方式与学生一起共享实验数据，但成本较高。如要降低成本，可以采取电脑间有线连接的方式，即本实用新型实施例二中介绍的方法，这要在教员的实验设备上与学生的电脑之间加上传送数据的连线。
权利要求1.一种斜面上力的分解实验仪，它由机械部分和电子电路部分两大部分构成，它的机械结构部分包括一个呈圆弧状的扁平的角度刻度尺，角度刻度尺(3)的一端被固定安装在一个水平底座上O)，另一端为自由端；一个水平底座O)，它为所述的角度刻度尺C3)和主体支架(1)提供固定连接；一个主体支架(1)，其整体呈角尺形，它有一条长的角边和一条短的角边，两者互相垂直，其90°度拐弯的角端与水平底座( 构成可转动的铰接，其角尺形主体支架(1)的一条长的角边的自由端与所述的角度刻度尺C3)形成可作相对滑动和锁定的联结，所述的主体支架(1)包括支架面板和支架底板、在支架面板( 和支架底板(6)合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件和电池，在所说的主体支架(1)的周面上设有一些电气功能件；一个外形为中空圆筒形的重物规块(7)，它通过一个传力支架(8)与力传感器即应变片构成挤压式接触；第一传感器(9a)和第二传感器(9b)它们分别被安装在所述的主体支架(1)的长、短角边的向上侧端面的容腔里，力传感器包含有传力支架(8)和应变片(9')，所说的传力支架(8)是一个T字形的螺接件，它自内向外穿出所述的主体支架(1)的长、短角边的向上侧的端面，形成一个接纳重物规块(7)的承接台，其特征在于电子电路包括有以下电路应变片信号输出电路00)，小信号处理电路，AD数据采集电路(22)，作为电路核心部分的单片机(23)，数码显示电路04)，电源管理电路05)， 电子电路按照信息流传递路径的方向排列是应变片信号输出电路(20)、小信号处理电路 (21)、AD数据采集电路(22)、单片机(23)、计算机。
2.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所说的传力支架(8)上有两个减少摩擦力的滚珠轴承，它们是第一滚珠轴承(10)、第二滚珠轴承(10')。
3.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是在支架面板(5)和支架底板(6)合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的容腔里容纳有全套电子电路器件，它们包括有第一传感器(9a)和第二传感器(9b)、单片机集成电路、锂电池(19)、第一数码管(11)、第二数码管(11')、及充电设备。
4.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是支架面板(5)和支架底板 (6)合拢后其内形成一个中空的容腔，在所述的主体支架(1)的周面上设有电气功能件，它们是第一数码显示窗口(16)、第二数码显示窗口(16')、用于与计算机实现连接的USB插口(18)、充电指示灯(17)，或电源开关(14)、或数据清零按键(15)。
5.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是于所述的单片机03)是型号为C8051F340的单片机。
6.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是在于所述的电子电路中有与单片机直接相连的数码管显示电路(M)，数码管显示电路04)包括有8段共阳红色数码管，它们是第一数码管(11)、第二数码管(11')，数码管显示电路还包括数码管阳极驱动三极管(34)。
7.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所述的电子电路中有与单片机03)直连的电源管理电路(25)，所说的电源管理电路0 包含有充电管理芯片CN3062 (35)、升压芯片 MP1542(37)和稳压芯片 LMl 117 (38)。
8.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所述的电子电路中有一带有数据归零按键(15)的按键电路01)。
9.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所说的电子电路中有小信号处理电路(21)，它进一步包括有运算放大器AD620Q6)，带变阻器(30)的放大系数调节电路，和用于调节应变片零点误差的带变阻器(31)的偏置电路。
10.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所说的AD数据采集电路 (22)中带有高精度的16位模数转换芯片ADS1100。
11.如权利要求1所述的斜面上力的分解实验仪，其特征是所述的电子电路中有与单片机03)直连的无线蓝牙通讯的电路00)。
专利摘要本实用新型涉及教学实验仪器，它是为力的合成与分解做实验的仪器。现有的这种仪器缺少精确地将实验数据现场显示的整体化方案，也没有实验仪器直接与计算机连接使用的智能化手段，无法实现连续动态的数据测量。本实用新型的目的就是要实现这种教学仪器的整体化、智能化。它包括有角度刻度尺、水平底座、主体支架，包括重物规块、力传感器，在中空的主体支架容腔里容纳有全套电子电路器件。其电子电路部分包括应变信号输出电路、小信号处理电路，放大系数微调电路、偏移调节电路、16位AD数据采集电路、单片机电路，数码显示管及其电路、数据归零按键及其电路、充电指示灯及其电路、电源开关、电源接口，锂电池、与电脑连接的USB接口，它既具有通讯功能又具备充电功能。
文档编号G09B23/10GK202258037SQ20102067752
公开日2012年5月30日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者杨磊, 董德通 申请人:上海辰昊信息科技有限公司
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