CN110021214A - 一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统 - Google Patents
一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统，包括气垫导轨,送气管，气泵，支脚，伸缩调节装置，量杯，光电传感器，液体连通器，控制器，液晶显示屏，开关和倾角传感器，所述的量杯或者光电传感器均采用三个，并且配对使用，分别固定在每个支脚的一侧，其中：每个量杯下方通过液体连通器相连，光电传感器通过信号线与控制器相连；所述的控制器固定在气垫导轨的下方，且控制器一侧安装有倾角传感器。本发明的伸缩调节装置，量杯，光电传感器，液体连通器，控制器和倾角传感器的设置，结构简单，弥补了气垫导轨不易调平的缺陷，满足实验数据结果的需要，避免了因为气垫导轨不平而导致实验发生误差。
Description
技术领域
本发明属于实验设备技术领域，尤其涉及一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统。
背景技术
众所周知，目前大、中专院校及高中物理实验教学采用的气垫导轨实验仪，在实验中比较关键的一个步骤是“调平”,通过调节气垫导轨的地脚螺栓,使气垫导轨水平,这一步骤直接决定后面实验结果的准确度,一般调平方法分为“静态调平”和“动态调平”。“静态调平”即打开气源,将滑块放在导轨上，调节导轨的纵向水平双支脚螺丝，横向水平单支脚螺丝，直到滑块在导轨任何位置都能保持不动或做极缓的来回滑动为止。这种调节方法简单直观,不需引进其它仪器。实验用的气轨绝对准直的很少,静态调平效果不是太好,应结合“动态调平”法调平。“动态调平”即让滑块以初速度V0先后通过两个相聚60厘米的光电门，若滑块通过两个光电门所用的时间差小于1毫秒，便可认为导轨已调平。常规实验所用的调平方法，只能做到粗略的平衡调节，而且步骤繁琐，误差过大，因而影响实验精确度。
中国专利公开号为CN 105551348A，发明创造的名称为气垫导轨倾斜度精确定位装置，包含标准台面，水准仪，可调支座，支杆，螺母，手柄，水准仪嵌入于标准台面上，标准台面由二个可调支座支撑在实验桌面上，当气垫导轨一端置于标准台面，另一端由支杆支撑，螺母固定在标准台面底部，手柄固定在支杆上所述的可调支座由螺杆、螺旋、螺旋套组成，螺杆上端由固定座固定到标准台面底部，螺旋的螺母连接螺杆，螺旋的轴心套在螺旋套内，螺旋套下部上底座，其上的螺栓顶端置于轴心的凹环上，但是依然存在着只能做到粗略的平衡调节，而且步骤繁琐，误差过大，因而影响实验精确度。
因此，发明一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统显得非常必要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统，以解决只能做到粗略的平衡调节，而且步骤繁琐，误差过大，因而影响实验精确度的问题，一种基于微控制器控制的气垫导轨调平系统，包括气垫导轨,送气管，气泵，支脚，伸缩调节装置，量杯，光电传感器，液体连通器，控制器，液晶显示屏，开关和倾角传感器，其中：气垫导轨一端通过送气管与气泵相连，且气垫导轨下侧面通过支脚固定在伸缩调节装置上方；所述的支脚或者伸缩调节装置均采用三个，配对使用，且结构和驱动原理相同，一对安装在气垫导轨下方一侧，其余两对安装在气垫导轨下方的另一侧；所述的量杯或者光电传感器均采用三个，并且配对使用，分别固定在每个支脚的一侧，其中：每个量杯下方通过液体连通器相连，光电传感器通过信号线与控制器相连；所述的控制器固定在气垫导轨的下方，且控制器一侧安装有倾角传感器，该控制器的前侧面设置有液晶显示屏或者开关；所述的控制器包括电源模块，电源稳压模块，微控制器，LCD显示模块，A/D转换模块，继电器和红外和激光束发射模块，其中：微控制器包括输入端和输出端，该输入端连接有倾角传感器或者通过A/D转换模块与光电传感器相连，输出端通过LCD显示模块，继电器或者红外和激光束发射模块与液晶显示屏，步进电机或者光电传感器中的发射器相连；所述的电源模块通过电源稳压模块连接到所述微控制器的上方；所述的继电器数量为三个，用于驱动不同位置的步进电机。
所述的伸缩调节装置数量为三个，且驱动结构和驱动原理相同，所述伸缩调节装置包括步进电机和减速箱，其中：减速箱的上方与支脚相连，该支脚的下端设置有蜗杆，与减速箱中的齿轮错轴连接；所述的步进电机采用感应子式步进电机，效率高，电流小，且在运转过程中比较平稳，通过控制器进行控制并记录支脚上下移动的幅度，实现液面的精确调节，精确控制调节气垫导轨的平衡。
所述的量杯采用上大下小的圆台形结构的亚克力塑料杯，数量为三个，且结构相同，该量杯外侧固定有光电传感器，且每个量杯的下方通过互通的液体连通器相连；所述量杯内放有有色难挥发液体，通过互通的液体连通器，利用大气压强原理，可以将气垫导轨的水平量转化为量杯内的液面水平量，当支脚上的量杯出现液面差时，说明气垫导轨未处于水平状态,便于光电传感器及时检测出气垫导轨的水平状态。
所述的光电传感器采用反射式光电开关，数量为三个，且工作原理相同，该反射式光电开关包括发射器，接收器和检测电路，其中：发射器通过控制器中的红外和激光束发射模块控制不间断的向量杯内发射光束，接收器接收反射回来的光束，经过检测电路滤出有效信号后，经过A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号后发给微控制器，便于及时采集量杯的液面信息，能够快速的将气垫导轨的水平信息发送给控制器，有利于提高工作效率。
所述的倾角传感器内置有陀螺仪，安装在控制器的一侧，该倾角传感器通过信号线与控制器内的微控制器相连，与光电传感器互补，提高测量精度。
所述的电源稳压模块采用7805三端稳压器，该电源稳压模块外加12V直流电源，经过7805三端稳压器转换成5V或者12V给微控制器，LCD显示模块，A/D转换模块，继电器和红外和激光束发射模块使用，且7805三端稳压器具有过压保护，过流保护或者过热保护的功能，能够保证稳定的工作状态，保护整个系统的安全运行。
所述的微控制器采用8位STC89C52系列单片机为主控核心，其标准功能有256字节内部数据存储器RAM，8K片内程序存储器(ROM)，32个双向输入/输出(I/O)口，3个16位定时或者计数器和6个中断源，便于把操作中的数据以及系统状态信息保存下来，与预期标准参数相比对，弥补了气垫导轨不易调平的缺陷，满足实验数据结果的需要，减少因为实验装置不平带来的测量误差。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的光电传感器和倾角传感器的设置，可以在测量气垫导轨水平度的过程中互补使用，有利于提高测量精度，实时采集量杯的液面信息，能够快速的将气垫导轨的水平信息发送给控制器，提高工作效率。
2.本发明的量杯和液体连通器的设置，有利于利用大气压强原理，将导轨的水平位置量转化为量杯的液面量，通过调节液面差继而实现气垫导轨的调平。
3.本发明的伸缩调节装置的设置，有利于步进电机运转带动减速箱内的齿轮组转动，利用齿轮轮缘的精密齿数和齿轮与蜗杆之间错轴连接，控制并记录支脚上下移动的幅度，实现液面的水平调节，精确控制调节气垫导轨的平衡。
附图说明
图1是本发明的主体结构示意图。
图2是本发明的工作原理流程示意图。
图3是本发明的伸缩调节装置结构示意图。
图4是本发明的51单片机组成的控制模块电路系统图。
图5是本发明的步进电机主要技术参数图。
图6是本发明的步进电机驱动模块图。
图7是本发明的电源模块及稳压模块电路图。
图8是本发明的实施例2结构示意图。
图9是本发明的实施例2示意图。
图中：
1-气垫导轨，2-送气管，3-气泵，4-支脚，5-伸缩调节装置，51-步进电机，52-减速箱，6-量杯，7-光电传感器，8-液体连通器，9-控制器，91-电源模块，92-电源稳压模块，93-微控制器，94-LCD显示模块，95-A/D转换模块，96-继电器，97-红外和激光束发射模块，10-液晶显示屏，11-开关，12-倾角传感器。
具体实施
以下结合附图对本发明做进一步描述：
实施例1：
如附图1至附图7所示
本发明提供一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统，包括气垫导轨1，送气管2，气泵3，支脚4，伸缩调节装置5，量杯6，光电传感器7，液体连通器8，控制器9，液晶显示屏10，开关11和倾角传感器12，其中：气垫导轨1一端通过送气管2与气泵3相连，且气垫导轨1下侧面通过支脚4固定在伸缩调节装置5上方；所述的支脚4或者伸缩调节装置5均采用三个，配对使用，且结构和驱动原理相同，一对安装在气垫导轨1下方一侧，其余两对安装在气垫导轨1下方的另一侧；所述的量杯6或者光电传感器7均采用三个，并且配对使用，分别固定在每个支脚4的一侧，其中：每个量杯7下方通过液体连通器8相连，光电传感器7通过信号线与控制器9相连；所述的控制器9固定在气垫导轨1的下方，且控制器9一侧安装有倾角传感器12，该控制器9的前侧面设置有液晶显示屏10或者开关11；所述的控制器9包括电源模块91，电源稳压模块92，微控制器93，LCD显示模块94，A/D转换模块95，继电器96和红外和激光束发射模块97，其中：微控制器93包括输入端和输出端，该输入端连接有倾角传感器12或者通过A/D转换模块95与光电传感器7相连，输出端通过LCD显示模块94，继电器96或者红外和激光束发射模块97与液晶显示屏10，步进电机51或者光电传感器7中的发射器相连；所述的电源模块91通过电源稳压模块92连接到所述微控制器93的上方；所述的继电器96数量为三个，用于驱动不同位置的步进电机51。
所述的伸缩调节装置5数量为三个，且驱动结构和驱动原理相同，所述伸缩调节装置5包括步进电机51和减速箱52，其中：减速箱52的上方与支脚4相连，该支脚4的下端设置有蜗杆，与减速箱52中的齿轮错轴连接；所述的步进电机51采用感应子式步进电机，效率高，电流小，且在运转过程中比较平稳，通过控制器9进行控制并记录支脚上下移动的幅度，实现液面的精确调节，精确控制调节气垫导轨的平衡。
所述的量杯6采用上大下小的圆台形结构的亚克力塑料杯，数量为三个，且结构相同，该量杯6外侧固定有光电传感器7，且每个量杯6的下方通过互通的液体连通器8相连；所述量杯6内放有有色难挥发液体，通过互通的液体连通器，利用大气压强原理，可以将气垫导轨的水平量转化为量杯内6的液面水平量，当支脚上的量杯6出现液面差时，说明气垫导轨未处于水平状态,便于光电传感器7及时检测出气垫导轨的水平状态。
所述的光电传感器7采用反射式光电开关，数量为三个，且工作原理相同，该反射式光电开关包括发射器，接收器和检测电路，其中：发射器通过控制器中的红外和激光束发射模块97控制不间断的向量杯6内发射光束，接收器接收反射回来的光束，经过检测电路滤出有效信号后，经过A/D转换模块95将模拟信号转换成数字信号后发给微控制器93，便于及时采集量杯6的液面信息，能够快速的将气垫导轨的水平信息发送给控制器9，有利于提高工作效率。
所述的倾角传感器12内置有陀螺仪，安装在控制器9的一侧，该倾角传感器12通过信号线与控制器9内的微控制器93相连，与光电传感器7互补，提高测量精度。
所述的电源稳压模块92采用7805三端稳压器，该电源稳压模块92外加12V直流电源，经过7805三端稳压器转换成5V或者12V给微控制器93，LCD显示模块94，A/D转换模块95，继电器96和红外和激光束发射模块97使用，且7805三端稳压器具有过压保护，过流保护或者过热保护的功能，能够保证稳定的工作状态，保护整个系统的安全运行。
所述的微控制器93采用8位STC89C52系列单片机为主控核心，其标准功能有256字节内部数据存储器RAM，8K片内程序存储器(ROM)，32个双向输入/输出(I/O)口，3个16位定时或者计数器和6个中断源，便于把操作中的数据以及系统状态信息保存下来，与预期标准参数相比对，弥补了气垫导轨不易调平的缺陷，满足实验数据结果的需要，减少因为实验装置不平带来的测量误差。
实施例2：
如附图3至附图9所示
实施例：包括气垫导轨1，送气管2，气泵3，调节支脚4，伸缩调节装置5，红外线发射装置6，基点支脚7，底座8，反射靶9，倾角传感器10，控制器11，液晶显示屏12和开关13，其中：气垫导轨1一端通过送气管2与气泵3相连，且气垫导轨1下侧面通过调节支脚4或者基点支脚7固定在伸缩调节装置5或者底座8上方，该基点支脚7朝向调节支脚4的一侧安装有反射靶9；所述的调节支脚4或者伸缩调节装置5均采用两个，配对使用，且结构和驱动原理相同，成对安装在气垫导轨1下方一侧；所述的红外线发射装置6采用两个，且水平倾斜一定角度固定在两个调节支脚4朝向基点支脚7的一侧；所述的控制器11固定在气垫导轨1的下方，且控制器11一侧安装有倾角传感器10，该控制器11的前侧面设置有液晶显示屏12或者开关13；所述的控制器11包括电源模块11a，电源稳压模块11b，微控制器11c，LCD显示模块11d，A/D转换模块11e，继电器11f，红外和激光束发射模块11g和检测电路11h，其中：微控制器11c包括输入端和输出端，该输入端连接有倾角传感器10或者通过A/D转换模块11e与检测电路11h相连，输出端通过LCD显示模块11d，继电器11f或者红外和激光束发射模块11g与液晶显示屏12，步进电机51或者红外线发射装置6中的红外信号发射器相连；所述的电源模块11a通过电源稳压模块11b连接到所述微控制器11c的上方；所述的继电器11f数量为两个，用于驱动不同位置的步进电机51。
所述的伸缩调节装置5数量为两个，且驱动结构和驱动原理相同，所述伸缩调节装置5包括步进电机51和减速箱52，其中减速箱52的上方与调节支脚4相连，该调节支脚4的下端设置有蜗杆，与减速箱52中的齿轮错轴连接；所述的步进电机51采用感应子式步进电机，效率高，电流小，且在运转过程中比较平稳，通过控制器11进行控制并记录支脚上下移动的幅度，实现精确控制调节气垫导轨的平衡。
所述的红外线发射装置6与反射靶9之间呈等腰三角形，其中：反射靶9表面靶心处粘贴有反射片；所述红外线发射装置6数量采用两个，且工作原理相同，该红外线发射装置6包括红外信号发射器和接收二极管，其中：红外信号发射器通过控制器11中的红外和激光束发射模块11g控制不间断的向反射靶9发射光束，接收二极管接收反射回来的光束，经过检测电路11h滤出有效信号后，经过A/D转换模块11e将模拟信号转换成数字信号后发给微控制器11c，便于能够快速的将气垫导轨1的水平信息发送给控制器11，有利于提高工作效率。
所述的倾角传感器10内置有陀螺仪，安装在控制器11的一侧，该倾角传感器10通过信号线与控制器11内的微控制器11c相连，与红外线发射装置9互补，提高测量精度。
所述的电源稳压模块11b采用7805三端稳压器，该电源稳压模块11b外加12V直流电源，经过7805三端稳压器转换成5V或者12V给微控制器11c，LCD显示模块11d，A/D转换模块11e，继电器11f和红外和激光束发射模块11g使用，且7805三端稳压器具有过压保护，过流保护或者过热保护的功能，能够保证稳定的工作状态，保护整个系统的安全运行。
所述的微控制器11c采用8位STC89C52系列单片机为主控核心，其标准功能有256字节内部数据存储器RAM，8K片内程序存储器(ROM)，32个双向输入/输出(I/O)口，3个16位定时或者计数器和6个中断源，便于把操作中的数据以及系统状态信息保存下来，与预期标准参数相比对，弥补了气垫导轨不易调平的缺陷，满足实验数据结果的需要，减少因为实验装置不平带来的测量误差。
工作原理
实施例1首先将气垫导轨1放置在水平的桌面上，利用大气压强原理，当支脚4上的量杯6内的液面出现液面差时，说明导轨1未处于水平态,这时通过打开开关11，控制器9中的红外和激光发射模块97控制光电传感器7中的发射器，向量杯6内不间断的发射光束，接收器接受反射回来的光束，然后检测电路滤出有效信号后，经过A/D转换模块95将模拟信号转换成数字信号后发给微控制器93，同时倾角传感器12也会测量出气垫导轨倾斜的角度，然后传给微控制器93，微控制器93内的核心单片机根据光电传感器7传来的信息并结合倾角传感器12的数据判断气垫导轨的平衡状态，单片机对传输的信号加以判断，然后发出相应的指令，且通过LCD显示模块94将测量结果以及处理过程在液晶显示屏10显示出来，同时通过继电器96控制步进电机51通过带动减速箱52中的齿轮组转动，利用齿轮轮缘的精密齿数和齿轮与支脚4下部的蜗杆之间错轴连接，使得支脚4可以轻微的上下伸缩或者伸长，直到量杯6中的液面变为水平，并且将记录的支脚4上下移动幅度存储到微控制器93中的存储器中。
实施例2首先将气垫导轨1放置在水平的桌面上，通过打开开关13，控制器11中的红外和激光发射模块11g控制红外线发射装置6中的红外信号发射器，向发射靶9不间断的发射光束，若两个红外线发射装置6中的接收二极管均同时接受到反射回来的光束，则表明气垫导轨1为水平状态，然后检测电路11h滤出有效信号后，经过A/D转换模块11e将模拟信号转换成数字信号后发给微控制器11c，同时倾角传感器10也会测量出气垫导轨1倾斜的角度，然后传给微控制器11c，微控制器11c内的核心单片机根据红外线发射装置9传来的信息并结合倾角传感器10的数据判断气垫导轨1的平衡状态，单片机对传输的信号加以判断，然后发出相应的指令，且通过LCD显示模块11d将测量结果以及处理过程在液晶显示屏12显示出来，同时通过继电器11f控制步进电机51通过带动减速箱52中的齿轮组转动，利用齿轮轮缘的精密齿数和齿轮与调节支脚4下部的蜗杆之间错轴连接，使得调节支脚4可以轻微的上下伸缩或者伸长，直到红外线发射装置6中的接收二极管均接受到反射回来的光束，并且将记录的调节支脚4上下移动幅度存储到微控制器11c中的存储器中。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：包括气垫导轨(1)，送气管(2)，气泵(3)，支脚(4)，伸缩调节装置(5)，量杯(6)，光电传感器(7)，液体连通器(8)，控制器(9)，液晶显示屏(10)，开关(11)和倾角传感器(12)，其中：气垫导轨(1)一端通过送气管(2)与气泵(3)相连，且气垫导轨(1)下侧面通过支脚(4)固定在伸缩调节装置(5)上方；所述的支脚(4)或者伸缩调节装置(5)均采用三个，配对使用，且结构和驱动原理相同，一对安装在气垫导轨(1)下方一侧，其余两对安装在气垫导轨(1)下方的另一侧；所述的量杯(6)或者光电传感器(7)均采用三个，并且配对使用，分别固定在每个支脚(4)的一侧，其中：每个量杯(7)下方通过液体连通器(8)相连，光电传感器(7)通过信号线与控制器(9)相连；所述的控制器(9)固定在气垫导轨(1)的下方，且控制器(9)一侧安装有倾角传感器(12)，该控制器(9)的前侧面设置有液晶显示屏(10)或者开关(11)；所述的控制器(9)包括电源模块(91)，电源稳压模块(92)，微控制器(93)，LCD显示模块(94)，A/D转换模块(95)，继电器(96)和红外和激光束发射模块(97)，其中：微控制器(93)包括输入端和输出端，该输入端连接有倾角传感器(12)或者通过A/D转换模块(95)与光电传感器(7)相连，输出端通过LCD显示模块(94)，继电器(96)或者红外和激光束发射模块(97)与液晶显示屏(10)，步进电机(51)或者光电传感器(7)中的发射器相连；所述的电源模块(91)通过电源稳压模块(92)连接到所述微控制器(93)的上方；所述的继电器(96)数量为三个，用于驱动不同位置的步进电机(51)。
2.如权利要求1所述的基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：所述的伸缩调节装置(5)数量为三个，且驱动结构和驱动原理相同，所述伸缩调节装置(5)包括步进电机(51)和减速箱(52)，其中：减速箱(52)的上方与支脚(4)相连，该支脚(4)的下端设置有蜗杆，与减速箱(52)中的齿轮错轴连接；所述的步进电机(51)采用感应子式步进电机。
3.如权利要求1所述的基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：所述的量杯(6)采用上大下小的圆台形结构的亚克力塑料杯，数量为三个，且结构相同，该量杯(6)外侧固定有光电传感器(7)，且每个量杯(6)的下方通过互通的液体连通器(8)相连；所述量杯(6)内放有有色难挥发液体，通过互通的液体连通器。
4.如权利要求1所述的基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：所述的光电传感器(7)采用反射式光电开关，数量为三个，且工作原理相同，该反射式光电开关包括发射器，接收器和检测电路。
5.如权利要求1所述的基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：所述的倾角传感器(12)内置有陀螺仪，安装在控制器(9)的一侧，该倾角传感器(12)通过信号线与控制器(9)内的微控制器(93)相连，与光电传感器(7)互补，提高测量精度。
6.如权利要求1所述的基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：所述的电源稳压模块(92)采用7805三端稳压器，该电源稳压模块(92)外加12V直流电源，经过7805三端稳压器转换成5V或者12V给微控制器(93)，LCD显示模块(94)，A/D转换模块(95)，继电器(96)和红外和激光束发射模块(97)使用。
7.如权利要求1所述的基于单片机控制的气垫导轨调平系统，其特征在于：所述的微控制器(93)采用8位STC89C52系列单片机为主控核心，其标准功能有256字节内部数据存储器RAM，8K片内程序存储器(ROM)，32个双向输入/输出(I/O)口，3个16位定时或者计数器和6个中断源。
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