CN202120485U - 平抛运动实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及教学实验室和物理试验设备中的实验器材，更具体地说它是一种平抛运动教学实验仪。它包括面板、底座、滑槽、小钢球、电磁持球架、光电门、钢球承接板，承接板上有压电陶瓷传感器和复写纸，底座上设有电源插口，USB插口，显示器盒，数码管，单片机芯片，数码显示电路，继电气控制电路，模式选择电路，清零按键电路、控制电磁继电器的按键电路，包括光电门信号电路和振动信号电路的信号处理电路，电源电路。本实用新型使这样的仪器实现数字化、机电一体化，它能利用传感器技术获得精确的时间测量，并能记录小球运动的时间值，显示所测得的时间值数据，还实现了让教学实验和电脑相结合。

Description

平抛运动实验仪

【技术领域】本实用新型涉及教学实验室和物理试验设备中的实验器材，是一种机电一体化、可结合计算机辅助进行实验的平抛运动实验仪。 

【背景技术】现有的教学实验室和物理实验设备中的平抛运动实验仪主要采用简单的肉眼观看的方式，由学生来查看实验的现象，移动小球接收板，根据小球的落点，测量距离，然后在纸上描点，通过多次试验后，在纸上获得实验的曲线。这种方式首先是没法获得小球抛出后到落地的时间，所以没法精确计算出小球在平抛过程中的运动分解，也就是在水平面上做匀速直线运动，在垂直面上做自由落体运动，只是简单看到了一条抛物线，从中找出运动的规律。由于这种测量方式没法利用计算机来辅助教学，在电脑和自动控制技术高度发展的今天，已经显得落后，不适用。在最近出现了如专利申请200720076912.2这样的新型的平抛运动教学实验仪，该专利申请的技术方案使用了水平中空底座、直立面板、斜向滑轨、电磁铁、钢球、光电门传感器等，它的目的是实现了机电一体化，和本实用新型在结构上相似的地方有不少，但是，它与本实用新型属于不同的技术方案，它没有公开机电一体化的技术方案细节，无法实现机电一体化的功能。另有一件对比文件是CN85201227号实用新型专利，它的具体方案与我们的本申请技术方案的机械部分基本雷同，但是它没有电子部分。 

传统的实验设备无法获得小球抛出到落地的准确时间，无法实现与计算机连接后获得一个直观的图像，也无法进行连续的测量。为了克服这些缺点，常要求设计能兼顾常规实验中通过读数来绘图同时也能利用计算机辅助实验的实验设备。 

本实用新型这个数字化的平抛运动实验仪器，它以利用传感器技术获得精确的时间测量，并能自动记录钢球自抛出点至到达落点时的时间值，并显示所测得的数据。因为我们做实验斜滑槽上抛球起始点的高度位置是固定的，所以它的平抛曲线也是一条固定不变的平抛曲线，是有唯一性的，我们的实验任务就是要把它显现出来。另外，本实用新型有两个持球架和两个被吸住的小钢球，可以演示平抛小球和自由落体小球在空中发生的碰撞，从而求证“平抛运动是水平方向上的直线匀速运动和垂直方向上的自由落体运动的合成”这一结论。该机电一体化的技术方案还能实现让教学实验和电脑相结合。 

【实用新型内容】

本实用新型的工作原理是，将被测小球放置在实验仪器的抛出导轨上，吸附在电磁释放器上，按下开关释放小球，小球经过一个光电门，当小球离开光电门的时候开始测量时间，小球飞行后落到承接板上，承接板上的压电陶瓷作为敏感元件，当小球落到承接板上的时候，停止计时，从而获得小球飞行的时间，显示在数码管上。读出教具上的高度值和从复写纸上钢球留下压痕的水平距离，就可在实验纸上描出点。我们将整个平抛曲线沿高度方向分成20个高度点，自高而下设置测试水平高度，改变接球板的高度，测量数据会随着落地时间的不同而不同。从数码管上读取时间数据，按测量高度的Y值和水平距离的X值，在纸上描点绘图。如果将实验设备上的USB口与电脑连接，打开相应的软件，可以读取实验的实时数据，在曲线图上显示，可以看出实验数据的连续变化，在软件的坐标轴上显示，同时输入读取的高度和水平值，可得出坐标曲线。 

本实用新型的构成如下： 

一种平抛运动教学实验仪器，它包括有一块直立的面板、在仪器的下部有一个水平布置的中空底座、一个斜向布置的滑槽、铁磁性的小钢球、两个电磁持球架、一个垂直布置的光电门、一个水平布置的承接板，承接板与面板之间的连接固定装置，其特征是： 

A，一块直立的面板，在其上一个角落的位置上固定有一个斜向布置的滑槽，在其斜高的起始位置上固定有一个第一电磁持球架，在滑槽的水平终端位置上固定有一个垂直布置的光电门，在面板的上沿布置一个可以沿水平方向移动的第二电磁持球架，在面板的正侧面上布置有垂直标尺和水平的标尺，在面板的两个垂直的边沿上固定有垂直布置的齿槽插板，在面板的下侧布置有一个水平布置的承接落下小钢球的承接板，它是与所述直立面板可贴合并可上下移动的带压电陶瓷传感元件和复写纸压板的钢球承接板，它有围框，围框的两端设有用于与齿槽插板相互连接的斜插板。 

B，在仪器的下部有一个水平布置的中空底座，其内装有电子电路元器件，在水平中空底座的上侧面上设有与直立的面板相互连接的物件，它们是自直立的面板下沿被90°度打弯形成的一个水平面窄条，在它与水平中空底座上侧面面相贴的平面之间通过螺钉相互夹紧并螺接固定。直立的面板的背部在直立面板和水平中空底座的直交面上可以加设三角形的加强筋，以增加直立面板的直立刚性。在水平中空底座的上侧面上设有两个电磁释放开关手动按钮，所述的水平中空底座上设有一个工作模式选择按钮。 

在水平中空底座的后侧立面上设有为仪器取电用的电源插口，还有为两个继电器供电的电源连接头，以及通过电脑为仪器供电的USB插口。 

C，在水平中空底座的上侧面上还卧放有一个显示器盒，其上有显示时间的数码管，所述的显示器盒上设有显示压电陶瓷传感元件受压时发出发光信号的指示灯。 

所述的显示器盒上设有一个调节压电陶瓷传感器元件震动灵敏度的可变电阻调节旋钮。 

所述的显示器盒上设有一个数据清零按钮。显示器盒内还有部分电路板。 

关于电子电路方面： 

本实用新型平抛运动教学实验仪器的电子电路包括有单片机芯片，以其为中心，周边有与其相连的数码管电路，继电气控制电路，模式选择电路，包括有用于数字归零的数字清零按键电路、控制电磁铁吸住和落下的电磁继电器控制电路的按键电路，包括光电门信号处理电路和震动信号处理电路的信号处理电路，与电脑连接的USB插口，和为整个电路供电的电源电路。 

所述的单片机芯片的单片机引脚定义： 

D0～D7：数码管数据线，数据线共享， 

CLED1～CLED4：4个数码管片选信号， 

CJD1，CJD2：两个电磁继电器控制信号， 

KEY：清零按钮， 

KEY1，KEY2：电磁铁释放开关信号， 

KEY3：模式选择开关， 

SIGOUT：光电门信号， 

INT0：震动信号， 

USB_D+，USB_D-：单片机USB接口数据线，连接电脑USB接口， 

RST，P20单片机复位信号和程序烧录控制线， 

XTAL1，XTAL2晶振信号输入。 

两个相同的分别用来控制平抛电磁铁和自由落体电磁铁电源的通断的电磁继电器控制电路，它包括U4直流5伏的继电器和继电器驱动电路的三极管，三极管的基极通过电阻与单片机的26引脚CJD1相连，集电极通过电阻与5伏电压的电源相连，其发射极通过二极管D1接地同时也与继电器的引脚5直接相连，U4继电器的引脚1、2为输入侧的引脚， 3、4、5为输出侧的引线，在单片机上有一个引线KEY1或KEY2是与电磁释放开关手动按钮的按键相连的。 

一个模式选择电路它由单片机的引脚21(KEY3)与一个电阻和一个手动选择开关S2串联而成，选择开关的一头接地，另一头接5伏电源。 

光电门信号处理电路包括红外三极管、作为U1A比较电路的芯片，为驱动发光二极管的三极管、信号驱动电路的三极管，该电路的连接如下： 

红外发射二极管电路J3接口在给电状态下始终发射出红外光，J5接口为红外三极管的红外接收电路。红外三极管Q3的基极通过作为红外线接收电路的接口J5被触发并工作。红外三极管Q3的集电极与3.3伏的直流电压VCC相连，同时也与作为红外发射链路的J3接口、再通过电阻接地；红外三极管Q3的发射极与比较电路U1A的传感信号接收引脚2相连；并且通过比较器与U1A的引脚3相连。 

三极管Q4的基极通过电阻与比较电路的U1A芯片的输出引脚1相连，同时通过电阻与Q2三极管的基极相连； 

三极管Q2是用于为发光二极管D2供电，其集电极通过电阻与发光二极管D2、再通过发光二极管D2与3.3伏的电源VCC相通；三极管Q2的发射极直接接地，其基极通过电阻与比较电路U1A的芯片的输出引脚1相连， 

U1A比较器的输出传感信号的引脚1通过电阻分别与三极管Q2、Q4的基极相连； 

U6A比较电路的引脚1是直接连通单片机电路的SIGOUT引脚4相连，引脚2提供的是比较电平，引脚3是光电传感信号输入脚，它与三极管Q4集电极的光电传感信号输出端相连。 

震动信号处理电路是压电陶瓷信号放大输出电路，它包括作为压电陶瓷连接口的J3接口，用来放大压电陶瓷信号用的三极管Q1，用于把压电陶瓷的信号转化成单片机的数字“0”、“1”信号的比较器电路芯片U3B，用来指示压电陶瓷是否被震动的LED指示灯，用于为LED指示灯提供功率的三极管Q2它们的连接方式如下： 

三极管Q1的集电极相连与U3B比较器电路芯片的输入侧引脚6相连，同时也通过电阻与5伏直流电源相连，U3B引脚5与一个调节传感信号灵敏度的参考电压电路相连； 

参考电压电路包括两个固定电阻和一个可变电阻，参考电压电路被跨接在5伏的直流电源和接地之间； 

比较器电路芯片U3B的输出端的传感信号输出引脚7通过电阻与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的集电极通过电阻、再通过二极管D3与直流5伏电源相连，Q2的发射极接地。 

比较器电路U3A的输入侧有引脚3、2，引脚3与比较器电路芯片U3B引脚7处相连，引脚2的通过电阻与直流3.3伏电源相连，还通过电阻与接地相连，输出侧引脚1与单片机传递震动信号的5脚(INTO)相连。 

数码管电路包括4个8段共阳数码管U5，每个数码管U5的公共端LED CTL1接以单片机驱动的三极管Q3驱动，引脚D、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、直接引入单片机“0”、“1”口，三极管Q3是数码管阳极驱动三极管，其发射极连接数码管U5的公共端LED CTL1，三极管Q3的集电极通过电阻与直流3.3伏电源VDD相连，三极管Q3的基极通过电阻与单片机的引脚CLED1相连。 

清零按键KEY3的电路用来使数码管U5清零，按键KEY3的两端其一端通过电阻与接地相连，同时也与单片机的引脚KEY2相连；其另一端通过电阻与直流VDD电源相连。 

电源电路包含一个外接DC-5V电源的J1供电接口，它有1、2、3三个接点，其中接点1 连接5伏直流电源。 

电源电路包含一个从电脑主机取电的J2供电接口，它是USB接口，它共有六个接点，其中接点1与5伏直流电源相连，接点2与USB D-接口相连，接口3与USB D+接口相连，接口4、5、6三个接点被接地。 

电源电路是各包含芯片U7或U8的两个相同的电路，该电路中芯片U7或U8的输入端引脚3通过二极管D3与直流5伏电源相连，引脚3在其与接地之间与一组并联的电容C1、C5相连；其引脚2在其与接地之间通过并联的电容组C6、C9或C8、C10与二极管D4或D5相并联，芯片U7、U8的引脚1与接地相连，并且引脚4与引脚2直连。 

电源电路是一个包括有芯片U1的把5伏的直流电压转变为3.3伏的直流电压并且给单片机供电的电路。该电源电路芯片U1的输入端引脚3直连5伏直流电源，并在其与接地之间并联一组电容C4、C5，该电路芯片U1的输出端引脚2是与3伏直流电源VDD直连，并在其和接地之间并联一组电容C3、C15、C20。 

本实用新型平抛运动教学实验仪器其工作流程如下： 

将模式选择开关置于选择模式1(与5伏电池连通，此时是平抛、自由落体模式)，按平抛释放开关，第一小球从电磁铁释放在平抛轨道上滚动，在离开平抛轨道通过光电门瞬间，开始计时，到第一小球落到承接板上产生震动信号，结束计时，数码管显示这个时间段的累计时间(单位：毫秒)。在此模式下，在与平抛发生的同时按下自由落体开关按键，第二小球做自由落体运动，按下开关开始计时，第二小球落到承接板产生震动信号，结束计时。做该实验时让吸引自由落体小钢球的持球架足够保持与抛物运动小钢球的距离，不让两者发生碰撞。 

将模式开关选择到模式2，按平抛释放开关按键，第一小球从平抛轨道滚下，经过光电门时，自由落体电磁铁自动释放第二小球，两球在空中碰撞，两个小球在各处位置都会发生碰撞的事实证明了平抛运动的竖直分运动是自由落体运动。 

本实用新型的优点是在教具上直接读取实验数据，由于采用了精度很高的光电门获得实验数据，所以读取的实验数据精度要高很多，另外，在教具上有直接的USB输出口，通过这个接口直接与电脑上连接，可以直接通过教具来上数据，不需要通过传统的传感器加采集器，然后再连接计算机的方式，准确度更高，实验的搭建也更简单。本实用新型不但能快速地直接描绘出平抛运动的轨迹，还能证明平抛运动是水平匀速运动与竖直自由落体运动的合成。 

以下，结合本实用新型的实施例和附图进行详细说明。 

【附图说明】

图1是本实用新型实施例的总体外形结构图的前视图。 

图2是本实用新型实施例的总体外形结构图的后视图。 

图3是本实用新型实施例的电路结构方框图。 

图4是本实用新型实施例的单片机引脚布置图。 

图5A是本实用新型实施例的电源电路图之一， 

图5B是本实用新型实施例的电源电路图之二， 

图5C是本实用新型实施例的电源电路图之三， 

图5D是本实用新型实施例的电源电路图之四。 

图6是本实用新型实施例的继电器控制电路。 

图7是本实用新型实施例的压电陶瓷传感器工作图。 

图8是本实用新型实施例的压电陶瓷传感信号传送图。 

图9是本实用新型实施例的光电门红外线传感器的工作电路图。 

图10是本实用新型实施例的光电门红外线传感信号传送图。 

图11是本实用新型实施例的工作模式选择图。 

图12是本实用新型实施例的数码管电路图。 

图13是本实用新型实施例的数码显示管的数据归零的清零按键图。 

【具体实施方式】

图1是本实用新型实施例的总体外形结构图的前视图。 

一块直立的面板1它被固定在一个水平中空底座2上，在面板1的正侧面的下侧布置有一个水平布置的承接小钢球的承接板3，其上覆盖有一层复写纸以在钢球掉落其上时会留下印记，复写纸被用一个压块17压住。承接板3它与面板1相互贴接，可任意上下移动，在面板1的两个垂直的边沿上设有垂直布置的齿槽插板1′，承接板3有围框3′，它的两端通过斜插片3″与面板1两侧垂直布置的齿槽插板1′相互嵌入固定。在做实验时需要不断变换高度位置。在面板1上左一个角落的位置上固定有一个斜向布置的钢球滑槽5，它通过导轨固定架6被安装在面板1上。在其斜高的起始位置上固定有一个第一电磁持球架8′，在给电状态下它始终吸住第一小钢球9′。在面板1的上侧通过支架7布置一个第二电磁持球架8，它可以沿水平方向随意移动固定，它在给电状态下吸住一个第二小钢球9。在面板1的正侧面上布置有垂直标尺1a和水平的标尺1b用以测量球在落点的X和Y的距离。在水平中空底座2上布置有一个PCB盒13，在所述的PCB盒13内装有电子电路元器件，它们有带指示钢球落下的发光二极管的指示灯窗口4，清零按钮10，数码管11，一个调节传感灵敏度的可变电阻调节旋钮12，它用于对压电传感器的灵敏度进行调节，还有电路板。在仪器下部的中空的水平中空底座2上侧面还设有两个继电器的电磁释放开关按钮14、14′，工作模式选择按钮15。在水平中空底座2的底下设有四个用以调节水平度的螺丝16。以及为了为仪器取电用的电源插口。在滑槽5的水平末端位置上固定有一个垂直布置的光电门18。 

图2显示的是本实用新型仪器的背部立体视图， 

关于直立面板1与水平中空底座2相互之间的固定连接物件，它们是自直立的面板1下沿被90°度打弯形成的一个水平面窄条1″，在它与水平中空底座2上侧面面相贴的平面之间通过螺钉2″相互夹紧并螺接固定。直立的面板1的背部可以加设三角形的加强筋1c，以增加直立面板1在水平中空底座上固定的直立刚性。 

在水平中空底座2的一个侧立面上设有两个通过电脑为仪器供电的USB插口31和31′。一个是用于光电门18的USB插口31，一个是用于与计算机相连接的USB插口31′。另有一个电路电源连接插口30和四个用于为两个继电器供电的连接件2′。 

图3是本实用新型实施例的电路结构方框图。电子电路包括有单片机芯片21以其为中心，周边有与其相连的数码管电路20，继电气控制电路22，按键电路23，模式选择电路24，电路的信号处理电路25，和电源管理电路35。其中，按键电路23包括有用于数字归零的数字清零按键电路26和用于控制电磁铁吸住和落下的电磁继电器控制电路27。其中，信号处理电路25，它进一步包括光电门信号处理电路28和震动信号处理电路29。其中，电源管理电路35它有与电脑19连接的USB插口和为单片机21供电的电源电路，以及为两个继电器供电的电源电路。 

图4是本实用新型实施例的单片机引脚布置图。 

引脚定义： 

D0～D7：数码管数据线，数据线共享， 

CLED1～CLED4：4个数码管片选信号， 

CJD1，CJD2：两个电磁继电器控制信号， 

KEY：清零按钮， 

KEY1，KEY2：电磁铁释放开关信号， 

KEY3：模式选择开关， 

SIGOUT：光电门信号， 

INT0：震动信号， 

USB_D+，USB_D-：单片机USB接口数据线，连接电脑USB接口， 

RST，P20单片机复位信号和程序烧录控制线， 

XTAL1，XTAL2晶振信号输入。 

图5A是本实用新型实施例的电源电路图之一，是一个外接的DC-5V直流电源的供电J1插口30，它提供1、2、3的接插口，其中2、3直连后接地，1插口直连5伏直流电源。本实验仪供电主要由插口30外接的DC-5V电源供电， 

图5B是本实用新型实施例的电源电路图之二，它是一个从电脑主机取电的J2接口51，它有六个接插口，只需四个就够用，其中1接5伏直流电源、4、5、6相互直连后接地、2、3为两个USB接插，31、31′。 

图5C是本实用新型实施例的电源电路图之三，它是为继电器供电的，因为有两个继电器，所以有两条相同的继电器。图上芯片U7、U8是两个AS1117-SOT223芯片32、33，它提供5v转3.3v的直流电压转换，U8芯片32和U7芯片33用来给电磁铁供电。每条电路包含有电源芯片AS1117-SOT223，在电源芯片的输入端有5伏电源通过二极管D3再与电容组并联的输入连接电路，芯片输入端的3脚通过电容接地。在电源芯片32、33的后端，即输出端2有二极管D4和电容组并联构成的电路，引脚1接地，引脚4和引脚2直连。电源芯片的作用是把5伏的直流电压转变为3.3伏的直流电压。 

图5D是本实用新型实施例的电源电路图之四。它是为单片机供电的电路。电路包含有U1电源芯片AS1117-SOT223，在U1电源芯片34的输入端3在5伏电源与接地之间有电容组C4、C5并联的输入连接电路；在电源芯片34的后端即输出端2在3伏直流电源VDD与接地之间有电容组C3、C15、C20并联构成的电路，电源芯片34的引脚3与5伏直流电池相连，引脚1与地相连，引脚4与引脚2直连，电源芯片34其作用是把5伏的直流电压转变为3.3伏的直流电压。 

图6是本实用新型实施例的继电器U4控制电路。图中U4继电器37型号为：OMRONG5V-1DC5V。图中Q1(2N8055)为驱动电路的三极管36。平抛教具一共用到了两个继电器，分别用来控制平抛电磁铁和自由落体电磁铁电源的通断。单片机21通过控制线控制图中36三极管的通断，来控制继电器是否连通电磁铁的电源。在电路中U4代表继电器37，它以一个方框加五条引线来表示，在上电状态引脚1和引脚4相互连通，此时继电器37向电磁铁供电。在仪器被使用时刚一上电，单片机21通过引脚CJD1或CJD2就会给Q1三极管36基极一个高电平，U4的5脚出现高电平，引脚1和4相连，电磁铁有工作电流通过，可以吸住小钢球。 

在单片机21上有一个引线是与电磁释放开关14、14′的按键相连的，也还有一个与三极管36的基极相连的一个引线CJD1或CJD2，而当水平中空底座2上的手动按钮14、14′被按动时，引脚2就与引脚4相连通，这时继电器就没有输出电流，小钢球就会从电磁持球架上脱离，以自由落体的形式落下。二极管D1的作用是防止继电器线圈在断电时产生的反电动势对电路可能造成的不利。本仪器因为有用作两个继电器和两个相关的电磁释放开关，所以，上述的电路就有两个。 

图7是本实用新型实施例的压电陶瓷传感器的震动信号处理电路，图中J3接口38为压电陶瓷连接口，图中Q1三极管39(2N3904)用以放大压电陶瓷的信号。图中可变电阻40用于调节压电陶瓷信号的灵敏度。图中U3B芯片(LM358)为比较器电路41，用来把压电陶瓷的信号转化成单片机的数字0，1信号。图中42为LED指示灯，其闪光用来指示压电陶 瓷是否被震动，震动一下LED就亮一下，比较器电路芯片41的输出端的传感信号输出引脚7通过电阻与三极管42′的基极相连，三极管42′的集电极通过电阻、再通过二极管42与直流5伏电源相连。单片机21得到震动的信号后经过单片机左侧的编号5的INTO引脚传入单片机21来控制结束计时，同时显示计时结果到数码管11上。 

图8是本实用新型实施例的压电陶瓷传感信号传送图。U3A传送传感信号的(LM358)比较器电路41′，它的3引脚与图7中的U3B芯片(LM358)比较器电路41的输出引脚7的信号相连，引脚2通过电阻与3.3伏直流电源相连，同时引脚2也通过电阻接地，U3A芯片41′的输出端的引脚1直接与单片机21的INTO引脚5相连，在工作中，当引脚3的电平高于引脚2的电平时，引脚1呈现高电平，结束计时。 

图9是本实用新型实施例的光电门红外线传感器的工作电路图，J3接口44为红外二极管发射电路，在给电状态下它始终发射出红外光。图中芯片(LM358)为U1A比较器电路45，图中基极接口J5为红外Q3(2N3904)三极管43的接收电路43′，当光电门18被小钢球通过时红外光线被阻断，这一信号使三极管43的基极得到传感信号，其电位变低，三极管43截止，此时比较器45的引脚2的电位被变低，其输出侧的引脚1的电位就被抬高，这使得三极管46和47的基极电位都被抬高，它们都被导通，D2发光二极管46′LED灯点亮。图中三极管46(2N3904)为LED驱动电路，用来指示是否有障碍挡住光电门，挡住时小钢球刚好通过光电门，LED灯亮。图中三极管47(2N3904)用来转换信号，信号驱动电路，当它被导通时SENSOR OUT节点就变成低电位，驱动信号就通过三极管47集电极节点SENSOROUT传至单片机21的引脚4(SIGOUT)进入单片机21，单片机得到光电门的信号后，由程序来开始计时，及后续操作。也就是说，当光电门18的红外线被通过的小球阻断时，该光电门信号处理电路就给单片机21发出一个开始计时的信号。 

图10是本实用新型实施例的光电门红外线传感信号传送图，U6A比较器47′(芯片1m358)输入侧的引脚3是与图9的Q4三极管47的集电极相连，其引脚2通过电阻与5伏的直流电源相连，另外引脚2也通过电阻接地。其输出侧引脚1与单片机21的引脚4相连。当引脚3的电平高于引脚2时，引脚1处于高电平，单片机21的引脚4也变为高电平，此时，开始计时。 

图11是本实用新型实施例的工作模式选择图。其S2工作模式选择开关15打到接口49的接地位置时处于模式1的工作状态，此时，KEY3通过电阻直接接地，该工作状态是不计时的。在此状态下，做平抛运动和做自由落体运动的第一小钢球9′和第二小钢球9会在空中发生碰撞。 

在模式2的工作状态下，S2工作模式选择开关15打到与直流5伏电源相连的位置，此时，执行平抛运动和执行自由落体运动的第一小钢球9′和第二小钢球9、各自落下，它们的动作都被计时。单片机21以动态扫描的方式，判断当前教具处于哪种模式。 

图12是本实用新型实施例的数码管电路图。数码管电路20它由4个8段共阳数码管组成，用来显示小球平抛运动，自由落体运动所经过的时间。电路显示的是U5数码管11的驱动电路，数码管11选用的是8段共阳数码管，每个数码管的公共端LED-CTL1与Q3三极管50(型号3904)的发射极相连，以驱动数码管工作。Q3三极管50的集电极通过电阻与3.3伏直流电源相连。Q3三极管50的基极通过电阻与单片机的引脚CLED1相连。U5数码管11各段引脚直接引入U4单片机I、O口，U4单片机21以动态扫描的方式点亮数码管11以显示时间的数据。图中数码管11是8段共阳红色数码管(型号：SM410304)，50是数码管阳极驱动三极管，三极管的发射极连接数码管11的公共端，由单片机21控制三极管50导通截止，以控制数码管11的点亮和熄灭。 

图13是本实用新型实施例的数码显示管的数据归零KEY3的清零按键48的附图。图中清零按键48用来使数码管归零。KEY1按键48所跨接的两端中，其一端与单片机21的KEY引脚相串联，同时也通过电阻接地。其另一端通过电阻与直流VDD电源相连。单片机21以动态扫描的方式判断清零按键48是否按下，如果清零按键48按下，数码管11归零。 

Claims (19)

1.一种平抛运动教学实验仪器，它包括有一块直立的面板(1)，在仪器的下部有一个水平布置的中空水平底座(2)，一个斜向布置的滑槽(5)，铁磁性的第一小钢球(9′)、铁磁性的第二小钢球(9)，第一电磁持球架(8′)和第二电磁持球架(8)，一个垂直布置的光电门(18)，一个水平布置的小钢球承接板(3)，和在承接板(3)与直立面板(1)之间的连接固定装置，其特征是：

a.一块直立的面板(1)，在其上一个角落的位置上固定有一个斜向布置的滑槽(5)，在其斜高的起始位置上固定有一个第一电磁持球架(8′)，在滑槽(5)的水平终端位置上固定有一个垂直布置的光电门(18)，在直立面板(1)的上沿布置一个可以沿水平方向移动的第二电磁持球架(8)，在直立面板(1)的正侧面上布置有垂直标尺(1a)和水平的标尺(1b)，在直立面板(1)左右两侧的边沿上有垂直布置的齿槽插板(1′)，在直立面板(1)的下侧布置有一个水平布置的承接落下小钢球的承接板(3)；

b.在仪器的下部有一个水平布置的中空水平底座(2)，其内装有电子电路及元器件，在中空水平底座(2)的上侧面上设有与直立面板(1)相互连接的物件，和两个电磁铁释放开关手动按钮(14)、(14′)，以及为仪器取电用的电源插口(30)；

c.在中空水平底座(2)的上侧面上还卧放有一个PCB显示器盒(13)，其上有显示抛物运动经过时间的数码管(11)，还有电路板。

2.如权利要求1所述的平抛运动教学实验仪器，其特征是：所述的钢球承接板(3)是一个水平布置的与所述直立面板(1)贴合并可上下移动的带压电陶瓷传感元件和复写纸压板(17)的钢球承接板(3)。

3.如权利要求1或2所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：本平抛运动教学实验仪器的电子电路包括有单片机芯片(21)，以其为中心在其周边有与其相连的数码管电路(20)，继电气控制电路(22)，工作模式选择电路(24)，包括有用于数字归零的数字清零按键电路(26)、控制电磁铁吸住和落下的电磁继电器控制电路(27)的按键电路(23)，包括光电门信号处理电路(28)和震动信号处理电路(29)的信号处理电路(25)，用于为光电门(18)供电的USB插口(31)、用于与电脑(19)连接的USB插口(31′)，和为整个电路供电的电源电路(35)。

4.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：所述的单片机芯片(21)的单片机引脚定义：

D0～D7：数码管数据线，数据线共享，

CLED1～CLED4：4个数码管片选信号，

CJD1，CJD2：两个电磁继电器控制信号，

KEY：清零按钮，

KEY1，KEY2：电磁铁释放开关信号，

KEY3：模式选择开关，

SIGOUT：光电门信号，

INT0：震动信号，

USB_D+，USB_D-：单片机USB接口数据线，连接电脑USB接口，

RST，P20单片机复位信号和程序烧录控制线，

XTAL1，XTAL2晶振信号输入。

5.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：两个相同的分别用来控制平抛电磁铁和自由落体电磁铁电源的通断的电磁继电器控制电路，它包括三极管(36)和继电器(37)， 三极管(36)的基极通过电阻与单片机(21)的26引脚CJD1相连，集电极通过电阻与5伏电压的电源相连，其发射极通过二极管D1接地同时也与继电器(37)的引脚5直接相连，继电器(37)的引脚1、2为输入侧的引脚，3、4、5为输出侧的引脚，在单片机(21)上有引线KEY1或KEY2是与电磁释放开关手动按钮(14)、(14′)的按键相连的，也还有一个与三极管(36)的基极相连的一个引线CJD1。

6.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：一个模式选择电路它由单片机(21)的KEY3引脚21与一个电阻和一个S2手动选择开关(15)串联而成，选择开关的一头(49)接地，另一头接5伏电源。

7.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：光电门信号处理电路包括红外三极管(43)，作为比较电路的芯片(45)，为驱动发光二极管的三极管(46)，信号驱动电路的三极管(47)，该电路的连接如下：

红外三极管(43)的基极通过作为红外线接收电路的接口(43′)；红外三极管(43)的集电极与3.3伏的直流电压VCC相连，同时也与作为红外发射链路的接口(44)再通过电阻接地；红外三极管(43)的发射极与比较电路(45)的传感信号接收引脚2相连；

三极管(46)的基极通过电阻与比较电路的芯片(45)的输出引脚1相连，同时通过电阻与三极管(47)的基极相连；三极管(46)的集电极通过电阻与发光二极管D2再通过其与3.3伏的电源VCC相通；三极管(46)的发射极直接接地；

三极管(47)发射极直接接地，其基极通过电阻与比较电路的芯片(45)的输出引脚1相连，其集电极通过电阻与3.3伏电源VCC相连，其集电极传感信号输出端还与比较电路(47′)输入侧的引脚3信号相连；

比较器(45)的输出传感信号的引脚1通过电阻分别与三极管(46)、(47)的基极相连；

比较电路(47′)的引脚1是直接连通单片机(21)电路的SIGOUT引脚4相连，其引脚2通过电阻与5伏电源连接，同时通过另一电阻接地，其引脚3是光电传感信号输入脚，它与三极管(47)集电极的光电传感信号输出端相连。

8.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：震动信号处理电路包括作为压电陶瓷连接口(38)，用来放大压电陶瓷信号用的三极管(39)，用于把压电陶瓷的信号转化成单片机的数字“0”、“1”信号的比较器电路芯片(41)，用来指示压电陶瓷是否被震动的LED指示灯(42)，用于为LED指示灯提供功率的三极管(42′)它们的连接方式如下：

三极管(39)的集电极相连与比较器电路芯片(41)的输入侧引脚6相连，同时也通过电阻与5伏直流电源相连，比较器电路芯片(41)的引脚5与一个调节传感信号灵敏度的参考电压电路相连；参考电压电路包括两个固定电阻和一个可变电阻(40)，参考电压电路被跨接在5伏的直流电源和接地之间；

比较器电路芯片(41)的输出端的传感信号输出引脚7通过电阻与三极管(42′)的基极相连，三极管(42′)的集电极通过电阻、再通过二极管(42)与直流5伏电源相连；

比较器电路芯片(41′)的输入侧有引脚3、2，引脚3与比较器电路芯片(41)引脚7处相连，引脚2的通过电阻与直流3.3伏电源相连，还通过电阻与接地相连，输出侧引脚1与单片机(21)传递震动信号的5脚(INTO)相连。

9.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：数码管电路包括4个8段共阳数码管(11)，每个数码管(11)的公共端LED CTL1接以单片机驱动的三极管(50)驱动，引脚D、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、直接引入单片机“0”、“1”口，三极管(50)是数码管(11)的阳极驱动三极管(50)，其发射极连接数码管的公共端LED CTL1，三极管(50)的集电极通过电阻与直流3.3伏电源VDD相连，三极管(50)的基极通过电阻与单 片机(21)的引脚(30)CLED1相连。

10.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：清零按键电路(26)的跨KEY1按键(48)的两端其一端通过电阻与接地相连，同时也与单片机(21)的KEY相连；其另一端通过电阻与直流VDD电源相连。

11.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：所述的中空水平底座(2)上设有一个工作模式选择按钮(15)。

12.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：电源电路包含一个从电脑主机取电的J2供电接口(51)，它是USB接口。

13.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：电源电路是各包含芯片(32)或(33)的两个相同的电路，该电路中芯片的输入端引脚3通过二极管D3与直流5伏电源相连，引脚3在其与接地之间与一组并联的电容C1、C5相连；其引脚2在其与接地之间通过并联的电容组C6、C9或C8、C10与二极管D4或D5相并联，芯片的引脚1与按地相连，并且引脚4与引脚2直连。

14.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器其特征是：电源电路是一个包括有芯片(34)的把5伏的直流电压转变为3.3伏的直流电压并且给单片机(21)供电的电路，该电源电路芯片(34)的输入端引脚3直连5伏直流电源并在其与接地之间并联一组电容C4、C5；该电路芯片(34)的输出端引脚2是与3伏直流电源VDD直连并在其和接地之间并联一组电容C3、C15、C20。

15.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器，其特征是：所述的PCB显示器盒(13)上设有显示压电陶瓷传感元件受压时发出发光信号的指示灯窗口(4)。

16.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器，其特征是：所述的PCB显示器盒(13)上设有一个调节压电陶瓷传感器元件振动灵敏度的可变电阻调节旋钮(12)。

17.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器，其特征是：所述的PCB显示器盒(13)上设有一个数据清零按钮(10)。

18.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器，其特征是：所述的面板(1)的下缘有90°打弯形成的一条下沿水平宽边(1″)与中空水平底座(2)实现相互螺接固定。

19.如权利要求3所述的平抛运动教学实验仪器，其特征是：所述的直立的面板(1)和中空水平底座(2)的直交面上有加强筋(1c)。 

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