CN102930763B - 光电计时测距实验器 - Google Patents

Abstract

一种光电计时测距实验器，包括光电计时测距小车、轨道、无线接收模块和计算机，光电计时测距小车放置在轨道上，轨道上设有中缝，光电计时测距小车的前轮放置在该中缝中，光电计时测距小车与无线接收模块采用无线方式通讯，无线接收模块与计算机相连。该实验器结构紧凑、构造简单，实验操作方便，稳定性好，精度高，将作为被测对象的小车改变为具有自主测量功能的智能装置，可测量自身的位移和时间，并通过无线方式发送至计算机，能够完成中学物理涉及运动学的所有实验，可同时采集多路数据，支持多辆小车并行使用，同时采集多路数据，并可依据所获的数据，计算多辆小车碰撞前后的速度—时间数据。

Description

光电计时测距实验器

技术领域

本发明涉及一种用于测量时间、位移的光电计时测距实验器，该实验器主要用于在物理实验教学中测量时间和位移，并以时间和位移为基础测得运动物体的速度和加速度。属于属于实验教学的时空测量（物体所达到的空间位置和该位置对应的时间）技术领域。

背景技术

经过几百年的发展，物理实验教学领域已积累起了不少用于测量时间和位移的仪器设备，如频闪照相机、打点计时器等。此类工具的优点是保有量大，使用相对简单，缺点是以间接研究为主，仪器设备和研究对象分离，操作费时费力，实验精度普遍较低。

随着电子技术和信息技术的发展，激光测距、超声波测距、光电读码测距等能够同时测量时间和位移的技术发展起来。受安全及成本的限制，物理实验教学中使用较为广泛的是超声波测距仪器。由于超声波的传播易受环境温度、湿度、风速、气压以及反射面的影响，致使其测量精度低，稳定性差，形成的超声波测距仪器普遍存在测量盲区。

目前出现了将光电读码技术与物理实验教学常用的“轨道+小车”进行结合的实验技术，使用安装了光电读码器的小车在印刷有等距条码的轨道上运行，把小车的运行过程转换为了光电读码的过程，排除了超声波测距系统面临的各种干扰因素，显著提高了时间和位移测量中的精度，但是采用光电读码原理的“轨道+小车”系统先天存在对轨道的较高要求，不仅需要轨道面格外平整、洁净，还要求确保等距条码的印刷质量，否则光电读码的效果就要受到影响。同时，受限于当前的印刷工艺，等距条码的间距不能做得太细，因此整个系统的实验精度（测距的分辨率）只能达到1毫米。尽管该精度已高于超声波传感器，但距离实验教学的理想要求还有些欠缺。

发明内容

为了克服现有的物理教学中轨道实验器存在的测量距离精度低、对轨道要求高等问题，本发明提供一种精度高、对轨道要求低、性能稳定的光电计时测距实验器。

本发明的光电计时测距实验器，采用以下技术解决方案：

该光电计时测距实验器，包括光电计时测距小车、轨道、无线接收模块和计算机，光电计时测距小车放置在轨道上，轨道上设有中缝，光电计时测距小车的前轮放置在该中缝中，光电计时测距小车与无线接收模块采用无线方式通讯，无线接收模块与计算机相连；

光电计时测距小车包括车体、供电电路、计时电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，各个电路均内置在车体中，车体上设置有起始点调零按键和电源开关，起始点调零按键与信号处理电路连接，车体的前端设置有磁铁，后端设有连接带，车体下方安装前轮和后轮，其中前轮与信号采集电路中的盘式挡光栅同轴安装在一起；供电电路与其它各电路连接，信号采集电路连接信号处理电路，信号处理电路与无线发射电路相连接；

无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与接口电路连接，无线接收电路、数据解析电路和接口电路均与无线接收器的供电电路连接。

光电计时测距小车的信号采集电路包括光学门和盘式挡光栅，盘式挡光栅与前轮同轴安装，光电门固定在车体上，光电门的发射管和接收管分别处于盘式挡光栅两侧。光电门读取盘式挡光栅的运动信息。

光电计时测距小车的信号处理电路采用单片机U2，负责将光电门测量到的“挡光、透光”数据进行初级处理，计算出位移数据，并将位移数据与对应的时刻进行编码，提供给无线发射电路并控制后者的数据通讯。

光电计时测距小车的无线发射电路包括从蓝牙串口模块U1和配对指示灯D2，两者均与信号处理电路连接。信号处理电路中的单片机U2将处理后的距离值数据通过串口接口与从蓝牙串口模块U1相连，进行数据通讯，从蓝牙串口模块U1再将数据以无线方式发出，配对指示灯D2与单片机U2连接，用于指示蓝牙配对是否成功。

无线接收模块的无线接收电路包括主蓝牙串口模块U6和蓝牙配对指示灯D3，主蓝牙串口模块U6用于接收与之配对的从蓝牙串口模块发射的电磁波，并将其内部数据信息解析出来，通过串口接口发送给数据解析电路，蓝牙配对指示灯D3的指示状态用于指示主蓝牙串口模块是否与从蓝牙串口模块配对成功。

无线接收模块的数据解析电路包括单片机U7和程序下载接口J2，单片机U7用于接收主蓝牙串口模块发送的数据，并将其进行数据解析，再通过USB接口电路上传至计算机，程序下载接口连接至单片机U7，用于单片机的程序下载。

无线接收模块的接口电路包括瞬态抑制二极管TVS1和USB接口J1，瞬态抑制二极管TVS1连接USB接口J1和单片机U7的第8、9脚，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口J1连接计算机。

实验时，将光电计时测距小车放置在轨道任意位置，将无线接收模块接入计算机，打开小车上的电源开关，并轻按小车上的调零按键，则此位置即为位移测量的零点。移动小车，小车内部光电门即可检测到盘式挡光栅的转动信息，再经信号处理电路将其转化为成对的时间和位移数字信号，并通过无线通讯电路中的蓝牙串口模块将数字信号发送出去。无线接收模块接收到上述信号后进行数据解析，并通过USB接口将解析后的数据上传到计算机，实时显示小车当前位置与零点之间的距离，并可描绘出“位移-时间”图线，依据所获的数据，还可以计算小车运行的速度、加速度。

本发明改变了现有“轨道+小车”模式实验系统中，小车作为被测物体，另需超声波、光电门、打点计时器或闪光照相等作为测量系统的复杂结构，并通过将先进的光电测量系统与小车前轮同轴安装的盘式挡光栅融为一体，使传统的被测物体具备了自主、直接测量和数据传输的功能，且排除了上述各种测量系统本身难以消除的误差。同时，应用蓝牙无线通讯技术，将小车自主测量到的数据实时发送到计算机，避免了传统测量仪器的累赘的连线，结构紧凑、构造简单，实验操作格外方便。

本发明彻底抛弃现有技术对于轨道上特定标识的依赖，让小车本身成为具有计时、测距、数据处理和无线通讯功能的综合体，采用的基础技术成熟度高，稳定性好，盘式挡光栅的高精度将位移测量的分辨率提高到了0.1mm，这在传统物理实验教学领域是不可能达到的，经验证，本发明能够完成中学物理涉及运动学的所有实验。

此外本发明可以实现光电计时测距小车之间的连接与碰撞，能够在实验中支持多辆小车并行使用，无线接收模块可以对应多个小车的无线发射源，同时采集多路数据，因而实时获取多辆小车的“位移-时间”数据，并可依据所获的数据，计算多辆小车碰撞前后的速度—时间数据。

附图说明

图1是本发明中光电计时测距小车结构的俯视图。

图2是本发明中光电计时测距小车结构的仰视图。

图3是本发明中光电计时测距小车结构的侧视图。

图4是本发明中光电计时测距小车结构的后视图。

图5是本发明中光电计时测距小车结构的前视图。

图6是本发明中与光电计时测距小车配套的轨道结构示意图。

图7是光电计时测距小车供电电路中开关机电路的原理图。

图8是光电计时测距小车供电电路中稳压电路的原理图。

图9是光电计时测距小车信号采集电路的原理图。

图10是光电计时测距小车信号处理电路的原理图。

图11是光电计时测距小车无线发射电路的原理图。

图12是本实验器无线接收模块的原理图。

图13是本实验器无线接收模块数据解析电路的原理图。

图14是本实验器无线接收模块USB接口电路的原理图。

图15是本实验器无线接收模块供电电路的原理图。

其中：1、前轮，2、砝码，3、电源开关，4、起始点调零按键，5、后轮，6、电池仓，7、尼龙搭扣，8、磁铁，9、中缝。

具体实施方式

本发明的光电计时测距实验器，包括光电计时测距小车、轨道、无线接收器和计算机，光电计时测距小车放置在轨道上，光电计时测距小车与无线接收器采用蓝牙无线方式通讯，无线接收器与计算机相连，将实验数据上传至计算机。

一．光电计时测距小车

光电计时测距小车包括车体、供电电路、计时电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，各个电路均内置在车体中，供电电路与整个电路相连，为信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路提供电源，信号采集电路连接信号处理电路，将采集的各种信号送至信号处理电路，信号处理电路与无线发射电路相连接，将处理好的数字信号通过串口接口送至无线发射电路。

车体的结构如图1、图2、图3、图4和图5所示。车体前部安装有前轮1，后部左右各安装一个后轮5，前轮1的直径较大，与信号采集电路中的高精密度盘式挡光栅同轴安装，前轮1转动直接带动盘式挡光栅转动，两个后轮5为小直径负重轮。信号采集电路中的光电门安装在挡光栅两侧。当车体在轨道上运动时，前轮1和后轮5就会转动，带动盘式挡光栅转动。光电门即可将转动过程中的挡光数据转换为数字信号输出给信号采集电路的单片机。车体上面后部设置有电源开关3和起始点调零按键4，并放置有砝码2，实验时通过改变砝码2的质量来改变整个小车的质量。如图2所示，车体底面后部设置有电池仓6，电池仓6中安装的是标称3.7V的锂电池。如图4所示，车体后端设置有连接带，连接带可以采用公母两种类型的尼龙搭扣7，实验时，可将两个小车通过尼龙搭扣7相对粘连在一起。如图5所示，两块强磁铁8分别固定在车体前端的左右位置，两块强磁铁8面向车外的极性相同，实验时，两个小车的前端接近时相斥，用于物理实验教学中的弹性碰撞和非弹性碰撞实验。实验时可根据实验需求，将两个小车的方向转为头部相对或尾部相对。上述小车滚动摩擦阻力较小，小车在轨道上的运行可视为实验要求的理想状态。

如图6所示，轨道是中学物理实验的通用器材，一般是由铝合金拉伸成形的。本发明所涉及的轨道特殊之处在于专门为小车前轮1设计了一条槽型的中缝9，该中缝9可对前轮1起到有效的支撑及限位作用，经测试，前轮1与该中缝9的滚动摩擦很小。轨道上位于中缝9的两侧设有较浅的细槽，用于对小车两负重后轮5的限位。小车运行时，与盘式挡光栅同轴的前轮恰好嵌入中缝。轨道的精密设计确保了车体在轨道上的运行可被视为实验要求的理想状态。

光电计时测距小车的供电电路包括电源、开关机电路和稳压电路。电源采用锂电池BT1，供电电压3.7V。如图7所示，开关机电路主要由Q1场效应管AO3401、Q2三极管8050、开关机按键S1组成。如图8所示，稳压电路包括升压芯片U4和稳压芯片U3，稳压电路输出3.3V电压，为单片机电路和蓝牙串口从属模块系统电路提供电源。锂电池BT1连接至开关机电路，当开关机按键S1按下时，开机电路使场效应管Q1导通，同时将按键信号传至单片机的P1.2脚，单片机检测到按键信号，通过P1.1脚控制场效应管Q1状态锁定，完成开机。当开关机按键再次按下时，单片机检测到按键信号，控制P1.1脚，使场效应管Q1截止，完成关机。开关机电路的输出电压进入升压芯片U4的第7脚输入，经升压后，在U4的第6脚输出稳定的5V电压，5V电源为光学解码器提供电源，同时进入稳压芯片U3，U3稳压输出3.3V电压，为单片机电路和从蓝牙串口模块系统电路提供电源。

光电计时测距小车的计时电路采用频率为22.1184MHz的石英晶体振荡器(XT1)，为单片机U2提供系统时钟。晶体振荡器的使用可以保证单片机计时的精度和一致性，并可为计算机提供与位移数据对应的时间数据。

光电计时测距小车的信号采集电路如图9所示，由光电门U5和盘式挡光栅组成，光栅编码盘上均匀分布有500条透光光栅，光学解码器U5读取光栅编码盘的运动信息，在第2、3脚输出相位差为90°的两路方波。信号采集电路的核心是光电门，该光电门拥有一对红外线收发管，分别安装在盘式挡光栅两侧。盘式挡光栅与小车前轮同轴安装，上面共有均匀分布的500条光栅。盘式挡光栅在光电门的光电收发对管之间转动，此时光电门的输出信号为两路相位差为90度的方波,盘式挡光栅转动一圈两路方波上升沿、下降沿共有2000个，因此转动一周最终可获得2000个“挡光、透光”信号，每个信号对应的弧度值α=2π/2000，则每个信号对应车轮的弧长l=（2π/2000）*r，r为车轮的半径。信号的计数值乘以每个信号对应的弧长便是小车对应的位移s=n*l=（2π/2000）*r*n=n*π*r/1000,n为信号的计数值。根据两路方波相位的前后，可判断出小车运动的方向。如果方波A比方波B相位提前90度，则小车的运动方向为正；如果方波B比方波A相位提前90度，则小车的运动方向为负。

光电计时测距小车的信号处理电路如图10所示，主要包括单片机U2（C8051），单片机U2与光电门U5、调零按键、电源开关信号线、下载接口、电池电量不足指示电路相连。单片机U2通过P0.7、P1.0连接光电门U5，检测光栅编码盘的运动信息，单片机U2再通过内部自带的可编程计数器阵列PCA捕捉功能捕捉两路方波信号，使其产生中断计数，进行数据处理。将锂电池BAT1经过开关机电路后的电压通过R12、R13两个电阻分压后连接到单片机U2的P1.3管脚，此管脚配置为DAC检测管脚，通过程序判断当前的电压，电池电量不足指示电路利用D1指示；调零按键S2与单片机U2第9脚相连，使其具有调零功能；下载接口J1与单片机U2第4、5脚相连，为其提供程序下载接口。信号处理电路负责将光电门测量到的“挡光、透光”数据进行初级处理，计算出位移数据，并将位移数据与对应的时刻进行编码，提供给无线收发电路并控制后者的数据通讯，该电路外接起始点调零按键4，可对位移进行人工置零，可将任意点设置为位移测量的起始点。

光电计时测距小车的无线发射电路如图11所示，包括从蓝牙串口模块U1和配对指示灯D2。单片机U2将处理后的距离值数据通过串口接口与从蓝牙串口模块U1的第1、2脚相连，具体是从蓝牙串口模块U1的第1、2脚与单片机U2第21、22脚连接，进行数据通讯，串口通讯的波特率为115200bps，从蓝牙串口模块U1再将数据载波到2.4GHz电磁波中以无线方式发出。配对指示灯D2与单片机U2连接，用于指示蓝牙配对是否成功。

二．无线接收模块

无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与USB接口电路连接，供电电路为电路提供电源。

无线接收模块的无线接收电路如图12所示，包括主蓝牙串口模块U6、蓝牙配对指示灯D3以及配对按键S3。主蓝牙串口模块U2接收到与之配对的从蓝牙串口模块发射的2.4GHz电磁波，并将其内部数据信息解析出来，通过串口接口发送给数据解析电路。主蓝牙串口模块U6与蓝牙配对指示灯D3连接，指示灯D3用于指示主蓝牙串口模块是否与从蓝牙串口模块配对成功。配对按键S3与蓝牙模块的第26脚相连，按下时蓝牙模块将重新搜索从蓝牙模块，自动配对。

无线接收模块的数据解析电路如图13所示，主要包括单片机U7和程序下载接口J2。单片机U1用于接收主蓝牙串口模块发送的数据，并将其进行数据解析，再通过接口电路上传至计算机。程序下载接口连接至单片机U1的第13、14脚，用于单片机的程序下载。

无线接收模块的接口电路如图14所示，主要包括瞬态抑制二极管TVS1、USB接口J1。瞬态抑制二极管TVS1连接USB接口J1和单片机U7的第8、9脚，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口J1与计算机相连接。

无线接收模块的供电电路如图15所示，主要包括稳压芯片U8，+5V电压连接稳压芯片U8的第1、3脚，经其稳压后从第5脚输出+3.3V电压。

上述光电计时测距实验器的实验过程如下所述：

实验时，将光电计时测距小车放置在轨道的任一位置，无线接收模块接入计算机，单击按下电源开关3，开启电源。轻按小车上的调零按键4，则小车此时所处的位置即为位移测量的零点。小车移动，前轮即带动盘式挡光栅转动。小车信号采集电路获得光电门读取的“透光、挡光”信号后，由信号处理电路中的单片机U2进行处理并转化成数字信号，随后将信号通过从无线发射电路中的蓝牙串口模块U1发送出去。

无线接收模块的主蓝牙串口模块U6接收到小车信号后，由数据解析电路中的单片机U1进行数据解析，并通过USB口将解析数据上传到计算机。

计算机将依据所获得数据实时显示小车当前位置与零点之间的距离，并可根据距离变化所经历的时间，并可描绘出“位移-时间”图线，计算得出小车运动的速度、加速度等实验结果。由此还可以带入公式，进行更深入的数据分析处理。

本实验器的测量和计算结果均通过计算机软件显示，并可通过人机交互进行原始测量结果的处理和应用。计算机软件采用VC++开发，安装运行于WindowsXP、Windows7等主流操作系统上，内置公式库和算法库，可对时间和位移数据进行积分等数学运算，支持中学物理实验数据处理的需求。

本光电计时测距实验器可同时采集多路数据，即无线接收模块可以对应多个小车的无线发射源，因而能够在实验中支持两辆小车并行使用，实时获取两辆小车的“位移-时间”数据，并可依据所获的数据，计算两辆小车碰撞前后的速度—时间数据，填补了以往实验教学领域两车碰撞实验中不能实时测量两车实验数据的空白。

Claims (7)

1.一种光电计时测距实验器，包括光电计时测距小车、轨道、无线接收模块和计算机，其特征是：

光电计时测距小车放置在轨道上，轨道上设有中缝，光电计时测距小车的前轮放置在该中缝中，光电计时测距小车与无线接收模块采用无线方式通讯，无线接收模块与计算机相连；

光电计时测距小车包括车体、供电电路、计时电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，各个电路均内置在车体中，车体上设置有起始点调零按键和电源开关，起始点调零按键与信号处理电路连接，车体的前端设置有磁铁，后端设有连接带，车体下方安装前轮和后轮，其中前轮与信号采集电路中的盘式挡光栅同轴安装在一起；供电电路与其它各电路连接，信号采集电路连接信号处理电路，信号处理电路与无线发射电路相连接；

无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与接口电路连接，无线接收电路、数据解析电路和接口电路均与供电电路连接。

2.根据权利要求1所述的光电计时测距实验器，其特征是：所述光电计时测距小车的信号采集电路包括光学门和盘式挡光栅，盘式挡光栅与前轮同轴安装，光电门固定在车体上，光电门的发射管和接收管分别处于盘式挡光栅两侧。

3.根据权利要求1所述的光电计时测距实验器，其特征是：所述光电计时测距小车的信号处理电路采用单片机（U2）。

4.根据权利要求1所述的光电计时测距实验器，其特征是：所述光电计时测距小车的无线发射电路包括从蓝牙串口模块（U1）和配对指示灯（D2），两者均与信号处理电路连接。

5.根据权利要求1所述的光电计时测距实验器，其特征是：所述无线接收模块的无线接收电路包括主蓝牙串口模块（U6）和蓝牙配对指示灯（D3），主蓝牙串口模块(U6)用于接收与之配对的从蓝牙串口模块发射的电磁波，并将其内部数据信息解析出来，通过串口接口发送给数据解析电路，蓝牙配对指示灯(D3)的指示状态用于指示主蓝牙串口模块是否与从蓝牙串口模块配对成功。

6.根据权利要求1所述的光电计时测距实验器，其特征是：所述无线接收模块的数据解析电路包括单片机(U7)和程序下载接口(J2)，单片机(U7)用于接收主蓝牙串口模块发送的数据，并将其进行数据解析，再通过USB接口电路上传至计算机，程序下载接口连接至单片机(U7)，用于单片机的程序下载。

7.根据权利要求1所述的光电计时测距实验器，其特征是：所述无线接收模块的接口电路包括瞬态抑制二极管TVS1和USB接口(J1)，瞬态抑制二极管TVS1连接USB接口(J1)和数据解析电路中单片机(U7)的管脚，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口(J1)连接计算机。