CN110164261A - 一种基于仿生原理的傅科摆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于仿生原理的傅科摆，包含密闭柜，密闭柜的底部中心处设有光电二极管，密闭柜的顶部分别设有补能装置和单片机；补能装置包含步进电机，步进电机连接螺纹丝杆，螺纹丝杆上依次套设有丝杆螺母和升降块，升降块连接摆线；摆线的上端连接升降块，摆线的下端连接铁锥，摆线和铁锥均位于密闭柜中；铁锥的底部设有发光二极管，单片机分别与光电二极管和步进电机连接。本发明设计密闭柜大大减小了外界对铁锥摆动的影响；补能装置能够实现铁锥升降式补能，满足铁锥持续摆动的能量需求，且能够根据具体需要，精准调整补能的幅度、速率以及频率，在保证铁锥持续摆动的前提下，降低能耗，节省成本。

Description

一种基于仿生原理的傅科摆

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体涉及一种基于仿生原理的傅科摆。

背景技术

傅科摆（Foucault pendulum）指仅受引力和吊线张力作用而在惯性空间固定平面内运动的摆，是法国物理学家傅科为了证明地球在自转而发明。

为了更好的研究和观察地球自传现象，出现了多种实验型傅科摆，但用于实验的傅科摆的摆锤质量较小，其运动受外界影响较大，需要增加不能装置，以补偿摆锤因外界因素的影响而造成的能量损失。

现有技术中虽然出现了带有补能装置的傅科摆，但该补能装置控制灵活性差、精准度低，且结构复杂，不能充分补偿摆锤的能量损失，造成傅科摆实验结果不精确，失去实验的意义。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于仿生原理的傅科摆，精密度高，实验结果精确。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于仿生原理的傅科摆，包含板密闭柜，所述密闭柜的底部中心处设有光电二极管，所述密闭柜的顶部分别设有补能装置和单片机，所述补能装置位于所述密闭柜的顶部中心处；

所述补能装置包含步进电机，所述步进电机连接螺纹丝杆，所述螺纹丝杆上依次套设有丝杆螺母和升降块，所述升降块连接摆线；

所述摆线的上端连接所述升降块，所述摆线的下端连接铁锥，所述摆线和所述铁锥均位于所述密闭柜中；

所述铁锥的底部设有发光二极管，所述单片机分别与所述光电二极管和所述步进电机连接；

铁锥静止时，所述发光二极管与所述光电二极管位于同一竖直线上，且该竖直线与所述摆线重合。这样设置后光电二极管位于铁锥在摆线牵引与重力作用下做往复运动的中心处。

进一步地，所述步进电机的内部设有驱动芯片，所述单片机与所述驱动芯片连接。

进一步地，所述密闭柜的顶部设有龙门架，所述步进电机设于所述龙门架的顶部，所述螺纹丝杆和所述升降块位于所述龙门架的内部。

进一步地，所述步进电机与所述螺纹丝杆之间设有联轴器。

进一步地，所述丝杆上套设有固定块，所述固定块设于所述升降块与所述联轴器之间，所述固定块与所述龙门架连接。

进一步地，所述补能装置还包含导向柱，所述导向柱与所述螺纹丝杆平行设置，所述导向柱的上下两端均与所述龙门架连接，所述升降块的一端套设于所述导向柱上，所述升降块与所述导向柱之间设有导套。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：本发明的一种基于仿生原理的傅科摆，设计密闭柜大大减小了外界环境对铁锥摆动的影响，并方便观察；补能装置能够实现铁锥升降式补能，满足铁锥持续摆动的能量需求，且能够根据具体需要，精准调整补能的幅度、速率以及频率，在保证铁锥持续摆动的前提下，降低能耗，节省成本。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中补能装置的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例的电路控制流程图。

图中：10—密闭柜、11—柜门、12—光电二极管、20—补能装置、21—步进电机、22—联轴器、23—固定块、24—升降块、25—螺纹丝杆、26—导向柱、27—导套、28—丝杆螺母、29—龙门架、30—摆线、40—铁锤、41—发光二极管、50—单片机。

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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于仿生原理的傅科摆，包含密闭柜10；

具体地，密闭柜10的底部中心处设有光电二极管12，密闭柜10的顶部分别设有补能装置20和单片机50，补能装置20位于密闭柜10的顶部中心处；本实施例中单片机50采用低功耗，高性能的CMOS 8位单片机AT89S51；

补能装置20包含步进电机21，步进电机21连接螺纹丝杆25，螺纹丝杆25上依次套设有丝杆螺母28和升降块24，升降块24固定连接摆线30；

摆线30的上端连接升降块24，摆线30的下端连接铁锥40，步进电机21用于驱动螺纹丝杆25转动，进而驱动丝杆螺母28和升降块24上下移动，实现摆线30和铁锥40的升降；

摆线30采用尼龙材质，有效避免了因摆线30具有弹性而在提拉过程中震动或因摆线30材质过软而随铁锥40的转动而转动，从而导致摆线30磨损甚至断裂，影响傅科摆的实验效果；

摆线30和铁锥40均位于密闭柜10中，以尽量减少外界对傅科摆的干扰（如空气阻力）；密闭柜由透明的亚克力板组成，以便观察傅科摆的运动过程；

铁锥40的底部设有发光二极管41，单片机50分别与光电二极管12和步进电机41连接；发光二极管41用于发射光信号，当摆线30带动铁锥40摆动至光电二极管12上方时，光电二极管12能够接收发光二极管41发出的光信号，并对单片机50发出信号，单片机50收到光电二极管12发出的信号后控制步进电机21工作。

优选地，步进电机21的内部设有驱动芯片，驱动芯片用于控制步进电机21工作；本实施例中驱动芯片采用ULN2003，ULN2003是七路达林顿驱动器阵列，是个集电极开路（OC）输出的反向器；

单片机50与驱动芯片连接，单片机50用于向驱动芯片发出信号，驱动芯片接收该信号后控制步进电机21转动或反向转动，以向上提拉摆线30或驱动其下降。

可选地，密闭柜10的顶部设有龙门架29，步进电机21设于龙门架29的顶部，螺纹丝杆25和升降块24位于龙门架29的内部，龙门架29用于安装步进电机21和螺纹丝杆25。

在本发明的一些实施例中，步进电机21与螺纹丝杆25之间设有联轴器22，步进电机21内部设有输出轴，联轴器22连接输出轴和螺纹丝杆25，步进电机21启动，驱动输出轴转动，进而使联轴器22和螺纹丝杆25一起转动。

在本发明的另一个实施例中，螺纹丝杆25上套设有固定块23，固定块23设于升降块24与联轴器22之间，固定块23与龙门架29连接；螺纹丝杆25的上端连接联轴器22，其中部设有固定块23，螺纹丝杆25能够在固定块23内自由转动，固定块23用于固定螺纹丝杆25，使其保持竖直状态，防止其在转动过程中发生晃动，影响摆线30和铁锥40的移动轨迹。

优选地，补能装置20还包含导向柱26，导向柱26与螺纹丝杆25平行设置，导向柱26的上下两端均与龙门架29连接，升降块24的一端套设于导向柱26上，升降块24与导向柱26之间设有导套27，升降块24能够通过导套27沿导向柱26上下移动，保证升降块24沿竖直方向移动，实现对摆线30和铁锥40的垂直提拉。

本发明模拟单人站立式荡秋千原理，即当人经过秋千最低点时站立（重心抬高），在达到最顶端和在其之前蹲下（降低重心），便可实现自给自足式补能—永远的摆下去。其中，重心改变的高度为补能的幅度（幅度越大补能越大，反之越小），抬高或降低重心的速率为补能的速率（速率越快补能越大，反之越小）。

如图3所示，单片机50、光电二极管12、发光二极管41和驱动芯片共同构成傅科摆的电路，图中L2为发光二极管41，L1为光电二极管12。

利用光的反射定律和光电二极管12反向击穿特性，当L2移动至L1上方时，L2发出的光照射物体反射后，L1能够接收到该反射光线，此时单片机P3.2与L1构成的回路中电流变的足够大，单片机P3.2端口的电压V（其中 I：R1、R2、L1构成回路的此时的电流），此时的电压足以使单片机P3.2端口得到输入信号高电平，单片机P3.2向驱动芯片ULN2003发出信号，驱动芯片ULN2003控制步进电机21转动，进而驱动摆线30和铁锥40上升。

当L2直射且无反射光时，此时L1接收不到光线而断路，电路中I = 0 A,单片机P3.2端口得到低电平，单片机P3.2向驱动芯片ULN2003发出信号，驱动芯片ULN2003控制步进电机21反向转动，进而驱动摆线30下降至初始位置。

使用时，将驱动芯片ULN2003负载步进电机21的一端接步进电机21额定电压12V，其另一端接到输出引脚即步进电机A相和B相；单片机P1.0控制A相，P1.1控制B相，通过控制两个引脚之一，输出脉冲可控制步进电机21实现正反转，并控制一个补能周期内脉冲的个数，以改变补能的幅度；同时通过控制脉冲速率和个数可实现调整步进电机21转数和角速度。

本发明的一种基于仿生原理的傅科摆，设计密闭柜大大减小了外界环境对铁锥摆动的影响，并方便观察；补能装置能够实现铁锥升降式补能，满足铁锥持续摆动的能量需求，且能够根据具体需要，精准调整补能的幅度、速率以及频率，在保证铁锥持续摆动的前提下，降低能耗，节省成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于仿生原理的傅科摆，其特征在于，包含密闭柜，所述密闭柜的底部中心处设有光电二极管，所述密闭柜的顶部分别设有补能装置和单片机，所述补能装置位于所述密闭柜的顶部中心处；

所述补能装置包含步进电机，所述步进电机连接螺纹丝杆，所述螺纹丝杆上依次套设有丝杆螺母和升降块，所述升降块连接摆线；

所述摆线的上端连接所述升降块，所述摆线的下端连接铁锥，所述摆线和所述铁锥均位于所述密闭柜中；

所述铁锥的底部设有发光二极管，所述单片机分别与所述光电二极管和所述步进电机连接；

铁锥静止时，所述发光二极管与所述光电二极管位于同一竖直线上，且该竖直线与所述摆线重合。

2.根据权利要求1所述的基于仿生原理的傅科摆，其特征在于，所述步进电机的内部设有驱动芯片，所述单片机与所述驱动芯片连接。

3.根据权利要求1所述的基于仿生原理的傅科摆，其特征在于，所述密闭柜的顶部设有龙门架，所述步进电机设于所述龙门架的顶部，所述螺纹丝杆和所述升降块位于所述龙门架的内部。

4.根据权利要求3所述的基于仿生原理的傅科摆，其特征在于，所述步进电机与所述螺纹丝杆之间设有联轴器。

5.根据权利要求4所述的基于仿生原理的傅科摆，其特征在于，所述丝杆上套设有固定块，所述固定块设于所述升降块与所述联轴器之间，所述固定块与所述龙门架连接。

6.根据权利要求5所述的基于仿生原理的傅科摆，其特征在于，所述补能装置还包含导向柱，所述导向柱与所述螺纹丝杆平行设置，所述导向柱的上下两端均与所述龙门架连接，所述升降块的一端套设于所述导向柱上，所述升降块与所述导向柱之间设有导套。