CN107123343A - 一种物理教学学生用压力演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物理教学仪器技术领域，具体涉及一种物理教学学生用压力演示仪，包括移动部分、自动回位部分、射频传输部分、压力测量电路和显示部分，压力传感器与压力测量电路相连，压力测量电路与CPU相连，CPU通过射频传输部分与中央处理器相连，中央处理器与显示部分相连。本发明设置移动部分即利用液压升降柱和万向滚轮，可同时实现调整高度和移动的功能，万向滚轮可用于多个方向的移动，设置自动回位部分，当压板测量后物体移走之后，由于弹簧的作用力可使得压板自动回位，自动回位部分中的伸缩杆可防止弹簧偏斜。本发明结构简单，操作便捷，可实现可视化，系统传输更加高效具有很强的创造性。

Description

一种物理教学学生用压力演示仪

技术领域

本发明涉及物理教学仪器技术领域，具体涉及一种物理教学学生用压力演示仪。

背景技术

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科。物理学是一种自然科学，注重于研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。物理学是关于大自然规律的知识；更广义地说，物理学探索分析大自然所发生的现象，以了解其规则。著名物理学家费曼说：科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象？著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位.如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。物理教学大都会解释一些生活现象，这些现象有的很常见，有的不是很常见，老师在授课的过程中，往往只会解释一些理论性的知识，同学们还是没能很好地理解这些现象发生的原因，造成课堂教学效率低，教学过程枯燥无味，在物理教学中，压力的教学比较常见，但是缺少简易的装置来很好的去解释压力的现象。在专利号为CN201710015304的专利文件中，公开了一种物理教学学生用压力演示仪，包括底板，底板的上表面设置有玻璃U型管，玻璃U型管的左管内部设置有第二活塞，玻璃U型管的右管内部设置有第一活塞，右管的顶部设置有挡板，玻璃U型管、第一活塞和第二活塞组成的封闭空间内填充有液体，第一活塞的上表面与弹簧的下端连接，弹簧的上端设置有压力传感器，压力传感器固定在挡板的下底面，本物理教学学生用压力演示仪采用液体传导受力，精度高，效果好，而且设置有显示屏，演示效果直观，还能自动增加或减少砝码，自动化程度高，使用方便，该物理教学学生用压力演示仪，简洁的反映出物理中压力学的现象，自动操作，快捷方便，结构简单且形象，效果直观。

上述专利文件中，用液体传导受力，精度高，效果好，而且设置有显示屏，演示效果直观，还能自动增加或减少砝码，自动化程度高，使用方便，该物理教学学生用压力演示仪，简洁的反映出物理中压力学的现象。但是对于如何提供一种结构简单，操作便捷，可实现可视化，系统传输更加高效的物理教学学生用压力演示仪缺少技术性解决方案。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种物理教学学生用压力演示仪，用于解决如何提供一种结构简单，操作便捷，可实现可视化，系统传输更加高效的物理教学学生用压力演示仪的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种物理教学学生用压力演示仪，包括安装座、压力传感器和压板，所述压力传感器设置在所述安装座上，所述压板设置在所述压力传感器上，其特征在于：包括移动部分、自动回位部分、射频传输部分、压力测量电路和显示部分，所述安装座设置在所述移动部分上，所述自动回位部分包括弹簧和伸缩杆，所述弹簧套接在所述伸缩杆上，所述弹簧和伸缩杆均连接所述压板和安装座，所述压力传感器与所述压力测量电路相连，所述压力测量电路与CPU相连，所述CPU通过所述射频传输部分与中央处理器相连，所述中央处理器与所述显示部分相连。

优选的，所述移动部分包括液压升降柱、支撑板和万向滚轮，所述液压升降柱一端设置在所述安装座的底部中心位置，另一端与所述支撑板的中心相连，所述万向滚轮以所述支撑板的圆心为中心点圆形设置在所述支撑板的底部。

优选的，所述射频传输部分的射频识别系统包括天线、电子标签和读写器，读写器将要发送的信号，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断；若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写E2PROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

优选的，所述射频传输部分的MFRC522额外的两个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平；这两个引脚不参与SPI总线传输，只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用；片选信号保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平；MFRC522与STM8AF51AA的硬件电路连接，在本系统中这两者之间的通讯采用的是SPI方式。

优选的，显示部分对LED屏进行写操作时，地址和数据信号应进行锁存，主控板上分别使用U2、U3和U4锁存对LED写操作时的地址和数据总线的状态；LED屏分配首址为0x2000000，当对其进行写操作时，S3C44B0X的nGCSl和nWE脚会出现可编程控制时延的有效低电平；nGCSl经一个非门作U2、U3和U4的锁存使能控制信号，保证仅在对LED屏访问时，地址和数据总线上的信号才被锁存；nWE经一个非门作屏端第一级列数据锁存器的锁存使能控制信号，保证只有当刷新数据稳定出现在列数据锁存其输入端时才被锁存；S3C44B0X的PC I0作所有屏端第二级锁存器的锁存使能控制信号线；S3C44BOX的PC[3∶0]作16行驱动译码器的译码输入。

优选的，所述压力测量电路的压力传感器的输出模型公式为：

VOUT＝VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) (1)

P＝(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)

式中，VOUT为电桥输出，VB是电桥的激励电压，P是外加压力，T0是参考温度，S0是T0温度下的灵敏度，S1是灵敏度的温度系数，U0是在无压力情况下电桥在温度T0时的输出偏移量，而U1则是偏移量的温度系数；公式(1)使用一次多项公式来对传感器进行建模，而有些应用场合可能会用到高次多项公式、分段线性技术或者分段二次逼近模型，并为其中的系数建立一个查寻表；无论使用哪种模型，数字校准时都要对VOUT、VB和T进行数字化，同时要采用某种方公式来确定全部系数并进行必要的计算；公式(2)由公式(1)变化所得，从中可清楚地看到，通过数字计算而输出精确压力值所需的信息。

(三)有益效果

本发明设置移动部分即利用液压升降柱和万向滚轮，可同时实现调整高度和移动的功能，万向滚轮可用于多个方向的移动，设置自动回位部分，当压板测量后物体移走之后，由于弹簧的作用力可使得压板自动回位，自动回位部分中的伸缩杆可防止弹簧偏斜。本发明结构简单，操作便捷，可实现可视化，系统传输更加高效具有很强的创造性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的压力测量电路原理图；

图3是本发明的射频传输部分的接口电路图；

图中的标号分别代表：

1、安装座；2、压力传感器；3、伸缩杆；4、弹簧；5、液压升降柱；6、支撑板；7、万向滚轮；8、压板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种物理教学学生用压力演示仪，包括安装座、压力传感器和压板，压力传感器设置在安装座上，压板设置在压力传感器上，还包括移动部分、自动回位部分、射频传输部分、压力测量电路和显示部分，安装座设置在移动部分上，自动回位部分包括弹簧和伸缩杆，弹簧套接在伸缩杆上，弹簧和伸缩杆均连接压板和安装座，压力传感器与压力测量电路相连，压力测量电路与CPU相连，CPU通过射频传输部分与中央处理器相连，中央处理器与显示部分相连。

移动部分包括液压升降柱、支撑板和万向滚轮，液压升降柱一端设置在安装座的底部中心位置，另一端与支撑板的中心相连，万向滚轮以支撑板的圆心为中心点圆形设置在支撑板的底部。

射频传输部分的射频识别系统包括天线、电子标签和读写器，读写器将要发送的信号，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断；若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写E2PROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

如图3所示的射频传输部分的MFRC522额外的两个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平；这两个引脚不参与SPI总线传输，只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用；片选信号保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平；MFRC522与STM8AF51AA的硬件电路连接，在本系统中这两者之间的通讯采用的是SPI方式。

显示部分对LED屏进行写操作时，地址和数据信号应进行锁存，主控板上分别使用U2、U3和U4锁存对LED写操作时的地址和数据总线的状态；LED屏分配首址为0x2000000，当对其进行写操作时，S3C44B0X的nGCSl和nWE脚会出现可编程控制时延的有效低电平；nGCSl经一个非门作U2、U3和U4的锁存使能控制信号，保证仅在对LED屏访问时，地址和数据总线上的信号才被锁存；nWE经一个非门作屏端第一级列数据锁存器的锁存使能控制信号，保证只有当刷新数据稳定出现在列数据锁存其输入端时才被锁存；S3C44B0X的PC I0作所有屏端第二级锁存器的锁存使能控制信号线；S3C44BOX的PC[3∶0]作16行驱动译码器的译码输入。

如图2所示的压力测量电路的压力传感器的输出模型公式为：

VOUT＝VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) (1)

P＝(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)

式中，VOUT为电桥输出，VB是电桥的激励电压，P是外加压力，T0是参考温度，S0是T0温度下的灵敏度，S1是灵敏度的温度系数，U0是在无压力情况下电桥在温度T0时的输出偏移量，而U1则是偏移量的温度系数；公式(1)使用一次多项公式来对传感器进行建模，而有些应用场合可能会用到高次多项公式、分段线性技术或者分段二次逼近模型，并为其中的系数建立一个查寻表；无论使用哪种模型，数字校准时都要对VOUT、VB和T进行数字化，同时要采用某种方公式来确定全部系数并进行必要的计算；公式(2)由公式(1)变化所得，从中可清楚地看到，通过数字计算而输出精确压力值所需的信息。

本发明设置移动部分即利用液压升降柱和万向滚轮，可同时实现调整高度和移动的功能，万向滚轮可用于多个方向的移动，设置自动回位部分，当压板测量后物体移走之后，由于弹簧的作用力可使得压板自动回位，自动回位部分中的伸缩杆可防止弹簧偏斜。本发明结构简单，操作便捷，可实现可视化，系统传输更加高效具有很强的创造性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种物理教学学生用压力演示仪，包括安装座、压力传感器和压板，所述压力传感器设置在所述安装座上，所述压板设置在所述压力传感器上，其特征在于：包括移动部分、自动回位部分、射频传输部分、压力测量电路和显示部分，所述安装座设置在所述移动部分上，所述自动回位部分包括弹簧和伸缩杆，所述弹簧套接在所述伸缩杆上，所述弹簧和伸缩杆均连接所述压板和安装座，所述压力传感器与所述压力测量电路相连，所述压力测量电路与CPU相连，所述CPU通过所述射频传输部分与中央处理器相连，所述中央处理器与所述显示部分相连。

2.根据权利要求1所述的物理教学学生用压力演示仪，其特征在于：所述移动部分包括液压升降柱、支撑板和万向滚轮，所述液压升降柱一端设置在所述安装座的底部中心位置，另一端与所述支撑板的中心相连，所述万向滚轮以所述支撑板的圆心为中心点圆形设置在所述支撑板的底部。

3.根据权利要求1所述的物理教学学生用压力演示仪，其特征在于：所述射频传输部分的射频识别系统包括天线、电子标签和读写器，读写器将要发送的信号，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断；若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写E2PROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

4.根据权利要求1所述的物理教学学生用压力演示仪，其特征在于：所述射频传输部分的MFRC522额外的两个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平；这两个引脚不参与SPI总线传输，只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用；片选信号保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平；MFRC522与STM8AF51AA的硬件电路连接，在本系统中这两者之间的通讯采用的是SPI方式。

5.根据权利要求1所述的物理教学学生用压力演示仪，其特征在于：显示部分对LED屏进行写操作时，地址和数据信号应进行锁存，主控板上分别使用U2、U3和U4锁存对LED写操作时的地址和数据总线的状态；LED屏分配首址为0x2000000，当对其进行写操作时，S3C44B0X的nGCSl和nWE脚会出现可编程控制时延的有效低电平；nGCSl经一个非门作U2、U3和U4的锁存使能控制信号，保证仅在对LED屏访问时，地址和数据总线上的信号才被锁存；nWE经一个非门作屏端第一级列数据锁存器的锁存使能控制信号，保证只有当刷新数据稳定出现在列数据锁存其输入端时才被锁存；S3C44B0X的PC I0作所有屏端第二级锁存器的锁存使能控制信号线；S3C44BOX的PC[3∶0]作16行驱动译码器的译码输入。

6.根据权利要求1所述的物理教学学生用压力演示仪，其特征在于：所述压力测量电路的压力传感器的输出模型公式为：

VOUT＝VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0))(1)

P＝(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0))(2)

式中，VOUT为电桥输出，VB是电桥的激励电压，P是外加压力，T0是参考温度，S0是T0温度下的灵敏度，S1是灵敏度的温度系数，U0是在无压力情况下电桥在温度T0时的输出偏移量，而U1则是偏移量的温度系数；公式(1)使用一次多项公式来对传感器进行建模，而有些应用场合可能会用到高次多项公式、分段线性技术或者分段二次逼近模型，并为其中的系数建立一个查寻表；无论使用哪种模型，数字校准时都要对VOUT、VB和T进行数字化，同时要采用某种方公式来确定全部系数并进行必要的计算；公式(2)由公式(1)变化所得，从中可清楚地看到，通过数字计算而输出精确压力值所需的信息。