CN102646348A - 可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统 - Google Patents

可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN102646348A
CN102646348A CN201210040763XA CN201210040763A CN102646348A CN 102646348 A CN102646348 A CN 102646348A CN 201210040763X A CN201210040763X A CN 201210040763XA CN 201210040763 A CN201210040763 A CN 201210040763A CN 102646348 A CN102646348 A CN 102646348A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pendulum
web server
simple pendulum
camera
chip microcomputer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201210040763XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102646348B (zh
Inventor
潘福东
梁维刚
王力虎
尤海军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangxi Normal University
Original Assignee
Guangxi Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangxi Normal University filed Critical Guangxi Normal University
Priority to CN201210040763.XA priority Critical patent/CN102646348B/zh
Publication of CN102646348A publication Critical patent/CN102646348A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102646348B publication Critical patent/CN102646348B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

本发明可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，在单摆装置底座的支架立柱旁设置有测量摆长的直尺以及可调节摆长的单摆螺旋轴，可以调节摆幅的单摆机械手与螺旋轴联动连接，摆球静置在单摆机械手上，支架立柱上部设置单摆光电计数器，设置于底座的步进电机分别连接单摆螺旋轴、单摆机械手、摄像头、电机控制器，安装了单摆实验监控站点软件的单片机连接着电机控制器、单摆光电计数器、报警装置和安装了嵌入式Web服务器软件的Web服务器，Web服务器还连接着摄像头和安装了JRE软件的用户浏览器，单片机与Web服务器之间采用I2C协议，Web服务器与浏览器之间采用TCP/IP协议。该系统使客户能够可以通过远程登录，直接操控真实实验。

Description

可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统
技术领域
本发明涉及力学测量，具体是重力加速度的测量，更具体是可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统。
背景技术
普通大学物理实验单摆测重力方法：一根不能伸缩的细线，上端固定，下端悬挂一个重球，当细线质量比重球质量小很多，而且球的直径又比细线的长度小很多时，就可以把重球看作是一个不计细线质量的质点。如果把悬挂的小球（摆球）自平衡位置拉至一边（保持摆角                                                
Figure 574654DEST_PATH_IMAGE001
<5°），然后释放，摆球即在平衡位置左右作周期性摆动，这种装置称为单摆。
摆球所受的力f是重力P和绳子张力的合力，指向平衡位置。当摆角很小时（
Figure 991991DEST_PATH_IMAGE001
<5°），圆弧可以近似看成直线，合力f也可以近似地看做沿着这一直线。设小球的质量为m，其质心到摆的支点的距离为L（摆长），小球位移为x，则
Figure 8489DEST_PATH_IMAGE002
    由公式（2）可知单摆在摆角很小时，质点的运动可以近似地看作简谐振动，我们又知，简谐振动的动力学方程可归结为
           
比较式（2）和式（3）可得单摆简谐振动的圆频率为
于是单摆的运动周期为
Figure 353386DEST_PATH_IMAGE005
                  
若测得L、T，代入式（4）即可求得当地的重力加速度g。若测出不同摆长L i 下的周期T i ，作T i 2 -L i 图线，由直线的斜率可求出当地的重力加速度g。
实验时，测量一个周期的相对误差较大，一般是测量连续摆动n个周期的时间t ，则T=t/n，因此
Figure 921377DEST_PATH_IMAGE006
式中的n不考虑误差，因此上式的误差传递公式为
               
Figure 211544DEST_PATH_IMAGE007
然而，这样实验只能在实验室进行。由于中国人口众多，地区之间的差异比较大，教育和学习资源分布不均衡，远程实验教学让经济、教育落后地区的人们也能和发达地区的人们一样享有最好的教育和学习资源，得到最好的学习支持服务。
发明内容
本发明的目的是提供可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统。该系统是远程操作实验装置，能够使客户（学生）可以通过远程登录我们的系统，直接操控真实实验。
本发明可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，在单摆装置底座的支架立柱旁设置有测量摆长的直尺以及可调节摆长的单摆螺旋轴，可以调节摆幅的单摆机械手与螺旋轴联动连接，摆球静置在单摆机械手上，支架立柱上部设置单摆光电计数器，设置于底座的步进电机分别连接单摆螺旋轴、单摆机械手、摄像头、电机控制器，安装了单摆实验监控站点软件的单片机连接着电机控制器、单摆光电计数器、报警装置和安装了嵌入式Web服务器软件的Web服务器，Web服务器还连接着摄像头和安装了JRE软件的用户浏览器，单片机与Web服务器之间采用I2C 协议，Web服务器与浏览器之间采用TCP/IP协议。
其中：单片机选自STM32F103RBT6、STC89c52RC、AT89C52、ATMEGA8、ATMEGA16、ATMEGA128。
Web服务器硬件选自友善之臂公司的mini2440或mini6440开发平台。
嵌入式Web服务器软件部分包括系统初始化引导程序bootloader、基于Linux 2.6.18嵌入式Linux操作系统内核Linux 2.6.18kernel、文件系统、USB摄像头驱动、网络驱动、、串口驱动、Web服务器（boa）、SQLite嵌入式数据库，以及在这基础上的应用程序danbai.html。
单摆实验监控站点软件包括读取单摆的摆长、位移、单摆次数、时间的模块，实现单片机与Web服务器的I2C通信协议及串口通信的模块，控制可控移动摄像头和电机驱动的模块，以及实现报警功能的模块。
单片机与WEB服务器间的I2C通信协议采用命令＋控制字的方式，下传指令结构形式为：数据头+地址+命令字节+结束字节，具体指令包括复位、摆启动、摆停止、摆长加、摆长减、摄像头左、摄像头右、摄像头上、摄像头下、上位机读摆动次数、上位机读摆动时间；上传数据结构形式为：数据头+地址+双字节数据+结束字节，具体包括单片机回传次数数据、单片机回传时间数据。
本发明的可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，在应用操作实验过程中，首先用户通过浏览器发送实验命令，该命令通过网络下发到WEB服务器后，服务器再解析提取有用数据并封装为I2C的数据将其传送到单片机，单片机接收到该数据后，判断命令类型，然后通过的单片机来控制步进电机，调整好单摆的螺旋轴和机械手，其中螺旋轴主要用于调整摆线的长度，由单片机控制步进电机的步距得到，进而计算得到单摆的摆线长度；机械手用于起动摆球或停止摆球。即通过机械手将摆球调整到一个角度，启动单摆实验命令，此时机械手将摆球释放，摆球开始左右来回运动。单片机通过读取光电计数器获得单摆摆线来回经过的次数，同时开始启动定时器计算摆球摆动时间、读取直线的长度，并将该参数封装成为I2C 协议的数据，将其传送到WEB服务器中的嵌入式硬件平台，在该平台中通过内部接口将I2C的数据打成TCP/IP传输的数据包，通过网络发送到用户的浏览器端，浏览器端接收到后再将命令解析，将相关参数在网页上显示出来，实时展现给用户查看，从而完成整个应用操作过程。
实验完毕后，通过浏览器发送停止命令，该命令通过网络下发到WEB服务器后，服务器再解析提取有用数据并封装为I2C的数据将其传送到单片机，单片机接收到该数据后，判断命令类型，通过机械手停止摆球的运动，同时停止定时器和计数器，将采集到的数据再返回给浏览器端，从而完成双向控制过程。
与上述类似，在该过程中，用户通过浏览器发送命令，调整可调整摄像头的位置和距离，从而可以观察到实验过程，从而获得现场操作效果。
由上述操作过程可知，用户无需现场干预，利用网络进行远程操作，即可享受优质资源的实验。
本发明中的单片机（可以是STM32F103RBT6等不同型号的单片机），负责将单摆的相关参数如摆长、周期、位移等以I2C通信方式发送到嵌入式WEB服务器，WEB服务器再将该参数以TCP/IP协议传送至各客户端浏览器；同时WEB服务器将USB摄像头采集到的单摆实验的实时操作图像同样以TCP/IP传送至电脑端浏览器，在浏览器上通过发送电机控制指令，可以将其通过WEB服务器接收后再控制电机以调整USB摄像头的距离、角度等，以达到一个合适的位置，进而实现单摆实验的远程监视和控制操作，实现网络资源共享。
本发明中，为了实现单摆测量的远程控制，单片机与嵌入式WEB服务器间的I2C通信协议的通信协议的格式具体如下表所示：
 
Figure 154092DEST_PATH_IMAGE008
附图说明
图1：本发明的系统结构示意图；
图2：单摆装置示意图；
图3：嵌入式Web服务器软件结构示意图；
图4：浏览器界面截图。
 
具体实施方式
   实施例
可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统见图1，单摆装置见图2。
其中：单片机为STM32F103RBT6。
Web服务器硬件选用友善之臂公司的mini2440开发平台。
嵌入式Web服务器软件部分包括系统初始化引导程序bootloader、基于Linux 2.6.18嵌入式Linux操作系统内核Linux 2.6.18kernel、文件系统、USB摄像头驱动、网络驱动、、串口驱动、Web服务器（boa）、SQLite嵌入式数据库，以及在这基础上的应用程序danbai.html。
danbai.html包括Spcaserv服务器、动态网页交互、V4L、MJPGE、TCP、CGI程序、Java  Apple、摄像头电机控制、UDP、串口收发数据、视频数据。
单摆实验监控站点软件包括读取单摆的摆长、位移、单摆次数、时间的模块，实现单片机与Web服务器的I2C通信协议及串口通信的模块，控制可控移动摄像头和电机驱动的模块，以及实现报警功能的模块。
单片机与WEB服务器间的I2C通信协议采用命令＋控制字的方式，下传指令结构形式为：数据头+地址+命令字节+结束字节，具体指令包括复位、摆启动、摆停止、摆长加、摆长减、摄像头左、摄像头右、摄像头上、摄像头下、上位机读摆动次数、上位机读摆动时间；上传数据结构形式为：数据头+地址+双字节数据+结束字节，具体包括单片机回传次数数据、单片机回传时间数据。
由于Web服务器端的Web页面包括Java Applet插件，要在远程客户端浏览器看到视频，客户端需要安装JRE（Java RunTime Envirment）软件，JRE是一个运行、测试和传输应用程序的 Java 平台。它包括Java虚拟机、Java平台核心类和支持文件。JRE可用于的IE浏览器有Netscape Navigator和Microsoft Internet Explorer(Windows系统自带浏览器)。当用户在IE浏览器地址栏上输入Web服务器地址，通过身份确认后就可以实现远程实时视频监控了。
在身份确认过程中主要对登陆用户输入的用户名和密码进行认证，确认该用户为合法用户，则由系统自动将该客户端连接到一台WEB服务器硬件平台，通过与该平台连接的USB摄像头，在登录后软件将自动启动USB摄像头视频传输功能，将单摆实验的硬件平台及控制设备的操作场景传送到浏览器端供用户查看(见图4)。用户针对不同场景通过浏览器端的相关控制命令去调整摄像头的角度，开启单摆，调整摆长、读取摆长、摆动时间、次数等参数。完成实验后，系统会自动保存该用户操作过程的所有参数及记录，方便管理员或教师进行查询和登记成绩，从而完成整个系统的应用操作过程，提高了实验效率、共享了优质资源，真正实现教学现代化。

Claims (6)

1.可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，包括单摆装置、网络，其特征是：在单摆装置底座的支架立柱旁设置有测量摆长的直尺以及可调节摆长的单摆螺旋轴，可以调节摆幅的单摆机械手与螺旋轴联动连接，摆球静置在单摆机械手上，支架立柱上部设置单摆光电计数器，设置于底座的步进电机分别连接单摆螺旋轴、单摆机械手、摄像头、电机控制器，安装了单摆实验监控站点软件的单片机连接着电机控制器、单摆光电计数器、报警装置和安装了嵌入式Web服务器软件的Web服务器，Web服务器还连接着摄像头和安装了JRE软件的用户浏览器，单片机与Web服务器之间采用I2C 协议，Web服务器与浏览器之间采用TCP/IP协议。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：单片机选自STM32F103RBT6、STC89c52RC、AT89C52、ATMEGA8、ATMEGA16、ATMEGA128。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是： Web服务器硬件选自友善之臂公司的mini2440或mini6440开发平台。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征是：嵌入式Web服务器软件部分包括系统初始化引导程序bootloader、基于Linux 2.6.18嵌入式Linux操作系统内核Linux 2.6.18kernel、文件系统、USB摄像头驱动、网络驱动、、串口驱动、Web服务器（boa）、SQLite嵌入式数据库，以及在这基础上的应用程序。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征是：单摆实验监控站点软件包括读取单摆的摆长、位移、单摆次数、时间的模块，实现单片机与Web服务器的I2C通信协议及串口通信的模块，控制可控移动摄像头和电机驱动的模块，以及实现报警功能的模块。
6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征是：单片机与WEB服务器间的I2C通信协议采用命令＋控制字的方式，下传指令结构形式为：数据头+地址+命令字节+结束字节，具体指令包括复位、摆启动、摆停止、摆长加、摆长减、摄像头左、摄像头右、摄像头上、摄像头下、上位机读摆动次数、上位机读摆动时间；上传数据结构形式为：数据头+地址+双字节数据+结束字节，具体包括单片机回传次数数据、单片机回传时间数据。
CN201210040763.XA 2012-02-22 2012-02-22 可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统 Expired - Fee Related CN102646348B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210040763.XA CN102646348B (zh) 2012-02-22 2012-02-22 可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210040763.XA CN102646348B (zh) 2012-02-22 2012-02-22 可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102646348A true CN102646348A (zh) 2012-08-22
CN102646348B CN102646348B (zh) 2014-07-02

Family

ID=46659158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210040763.XA Expired - Fee Related CN102646348B (zh) 2012-02-22 2012-02-22 可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102646348B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103035154A (zh) * 2012-12-25 2013-04-10 黑龙江大学 实训用自由摆发光二极管led显示系统
CN106952520A (zh) * 2017-05-26 2017-07-14 中国人民解放军空军工程大学 基于无线局域网和智能移动终端的交互式实验教学系统
CN109981635A (zh) * 2019-03-20 2019-07-05 浪潮商用机器有限公司 一种数据处理方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3339292A (en) * 1965-10-22 1967-09-05 Harcourt Brace & World Inc Educational pendulum device
JPS56114743A (en) * 1980-02-14 1981-09-09 Keiji Nakayama Accelerating device for pendulum
CN2245247Y (zh) * 1995-07-13 1997-01-15 深圳华侨城中学 智能单摆装置
CN101464930A (zh) * 2009-01-22 2009-06-24 清华大学 倒立摆远程实验系统与方法
CN101477764A (zh) * 2009-01-04 2009-07-08 上海大学 网络化双并联倒立摆

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3339292A (en) * 1965-10-22 1967-09-05 Harcourt Brace & World Inc Educational pendulum device
JPS56114743A (en) * 1980-02-14 1981-09-09 Keiji Nakayama Accelerating device for pendulum
CN2245247Y (zh) * 1995-07-13 1997-01-15 深圳华侨城中学 智能单摆装置
CN101477764A (zh) * 2009-01-04 2009-07-08 上海大学 网络化双并联倒立摆
CN101464930A (zh) * 2009-01-22 2009-06-24 清华大学 倒立摆远程实验系统与方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103035154A (zh) * 2012-12-25 2013-04-10 黑龙江大学 实训用自由摆发光二极管led显示系统
CN103035154B (zh) * 2012-12-25 2014-12-24 黑龙江大学 实训用自由摆发光二极管led显示系统
CN106952520A (zh) * 2017-05-26 2017-07-14 中国人民解放军空军工程大学 基于无线局域网和智能移动终端的交互式实验教学系统
CN109981635A (zh) * 2019-03-20 2019-07-05 浪潮商用机器有限公司 一种数据处理方法及系统
CN109981635B (zh) * 2019-03-20 2021-09-24 浪潮商用机器有限公司 一种数据处理方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN102646348B (zh) 2014-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102646348A (zh) 可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统
CN204389872U (zh) 用于测试拍照设备的振动测试机
CN206583727U (zh) 一种电线电缆弯曲试验机
CN107437346A (zh) 一种远程在线实训学习系统
Hahn et al. Remote laboratories for control education
CN103268288A (zh) 一种移动终端应用软件的远程真机调试方法及系统
Yi et al. Design of smart home control system by Internet of Things based on ZigBee
Roesch et al. Remote control of mechatronic systems over communication networks
Suriano A portable air quality monitoring unit and a modular, flexible tool for on-field evaluation and calibration of low-cost gas sensors
CN110071958B (zh) 基于嵌入式web的传感器节点控制方法
Gómez et al. A World Wide Web based architecture for the implementation of a virtual laboratory
Uhlmann et al. ELSA-SP–Through-the-cloud subscribe-publish scheme for interactive remote experimentation under iLab Shared Architecture and its application to an educational PID control plant
CN113251982B (zh) 一种海上起竖装置轴角编码器柔性支撑单元
CN110324412B (zh) 一种泛在传感器网络实验教学系统及其实验教学方法
CN109474783B (zh) 一种环境光场采集系统及方法
CN210210404U (zh) 工业相机及基于树莓派的机械手远程控制系统
CN209132300U (zh) 加速度自动化测试装置
Schuss et al. Building monitoring and diagnostics: A web-Based approach
CN208369611U (zh) 一种仪表数字网关设备
CN221688737U (zh) 一种网络闭路电视摄像机抗干扰性能检测装置
KR102236991B1 (ko) 웹페이지 및 이를 출력하는 시스템
Müller Setup, Simulation and Stabilization of Equilibrium Points of an Inverse Multi-Pendulum
JPH0725655Y2 (ja) 動揺試験装置
Rao et al. Raspberry Pi 3 Model B+ Based Endure Redicting Using Web of Things (WoT)
Aobo et al. Design of intelligent diffraction light intensity measuring instrument based on Internet of Things

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140702

Termination date: 20160222