CN202502654U - 无线智能测距数码轨道实验器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无线智能测距数码轨道实验器，包括力学轨道、轨道小车、无线发射器、无线接收器和计算机，力学轨道上设置有刻度尺，轨道小车安放在力学轨道上，无线发射器固定在轨道小车内，无线发射器与无线接收器以无线方式连接，无线接收器与计算机相连接。本实用新型结构简单，操作方便，实验方式灵活多样，不仅可以在力学轨道上进行实验，还可将特制的数码刻度尺粘贴在气垫导轨上，并将无线发射器放置在气垫导轨上进行实验，不仅可以静态的进行位移测量，还可以进行动态测量，并通过计算机的处理分析可以研究物体的运动学规律，有效的去除了环境因素影响，测量精度高、稳定性强。

Description

无线智能测距数码轨道实验器

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量动态距离、能够实现无线智能测距的数码轨道实验器，属于物理实验教学技术领域。

背景技术

用于测量动态距离的工具其原理多为激光测距或超声波测距，以上两种工具均有一定的局限性，不宜用于中小学教学过程中的学生实验。激光测距仪如果使用不当会对学生身体健康造成伤害，且成本较高；超声波测距仪由于易受环境温度、湿度、风速等影响，存在测量精度低、稳定性差、有测量盲区等缺点。

目前学生用的常规智能测距工具都有一定的缺陷，难以适应精度高、抗干扰因素强的动态测距实验。

发明内容

为了克服现有的实验教学中动态距离测量工具存在的精度低、易受周围环境干扰、稳定性差等问题，本实用新型提供一种不受周围环境因素（温度、湿度、风速等）影响、测量精度高、安全可靠、性能稳定的无线智能测距数码轨道实验器。该实验器属于无线智能距离测量工具，可配合专用的力学轨道及附件或气垫导轨等辅助工具进行测量。

本实用新型的无线智能测距数码轨道实验器，采用以下技术解决方案：

该实验器，包括力学轨道、轨道小车、无线发射器、无线接收器和计算机，力学轨道上设置有刻度尺，轨道小车安放在力学轨道上，无线发射器固定在轨道小车内，无线发射器与无线接收器以无线方式连接，无线接收器与计算机相连接。

刻度尺是由1mm宽的黑白相间的条纹排列而成，每一条黑色或白色条纹的宽度严格为1mm，相邻黑色条纹与白色条纹之间的中心距离严格为1mm。该刻度尺可使整个实验器测量精度达到0.5mm，缩小黑白条纹的宽度可以提高测量精度。

无线发射器包括供电电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，供电电路与信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路均连接，信号采集电路与信号处理电路连接，信号处理电路与无线发射电路连接。

无线发射器的信号采集电路，包括检测力学轨道上刻度尺条纹信息的刻度尺条纹信息读取电路和实时检测供电电路电压的电池电量检测电路。

无线发射器的信号处理电路，包括单片机U3、两个光电开关、调零按键、下载接口和电池电量不足指示电路，两个光电开关、调零按键、下载接口和电池电量不足指示电路均与单片机U3连接，两个光电开关的间距为8.5mm。两个光电开关用于检测力学轨道上刻度尺的条纹信息；电池电量检测电路实时检测电池电压，当电池电压低于设定的欠压阀值时，产生中断，使欠压指示灯闪烁，提醒用户电池电压已不足，需更换电池或充电，当电池电压高于设定的欠压阀值时，欠压指示灯为关断熄灭状态。

无线发射器的无线发射电路，包括与无线发射器的信号处理电路中单片机U3连接的蓝牙串口从模块U8和用于指示蓝牙配对是否成功的配对指示灯D2。

无线接收器包括无线接收电路、数据解析电路、USB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，供电电路与其余各电路连接。

无线接收器的无线接收电路，包括蓝牙串口主模块U2和蓝牙配对指示灯D2，蓝牙串口主模块U2与蓝牙配对指示灯D2连接。

无线接收器的数据解析电路，包括用于解析蓝牙串口主模块串口发送的数据并将其进行数据解析上传的主处理器单片机U1和程序下载接口J2，程序下载接口J2与单片机U1连接。

无线接收器的USB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和数据解析电路中的单片机U1， USB接口J1连接计算机。瞬态抑制二极管TVS1对数据通讯起到静电保护作用。

上述数码轨道实验器的工作原理如下：

无线发射器固定在轨道小车内，一起放置在带有数码刻度尺的力学轨道上，无线接收器与计算机相连接。将无线发射器安放在力学轨道上任一位置，打开无线发射器的电源开关，并轻按无线发射器上的调零按键，则此位置即为测量距离的零点，改变无线发射器的位置时，利用无线发射器的光电读数窗口检测力学轨道上粘贴的数码刻度尺的条纹信息，再经其转化为含有距离信息的数字信号，并通过无线发射器的蓝牙串口从模块发送出去，无线接收器的蓝牙串口主模块接收到无线数字信号后将其进行数据解析，并通过接口将解析的数据上传到计算机，计算机通过软件实时显示无线发射器所在位置到零点的距离，并且还可以通过计算机软件的数据处理分析功能对一些运动学测量实验及数据进行分析处理。

本实用新型结构简单，操作方便，实验方式灵活多样，不仅可以在力学轨道上进行实验，还可将特制的数码刻度尺粘贴在气垫导轨上，并将无线发射器放置在气垫导轨上进行实验，不仅可以静态的进行位移测量，还可以进行动态测量，并通过计算机的处理分析可以研究物体的运动学规律，有效的去除了环境因素（温度、湿度、风速等）影响，测量精度高、稳定性强。

附图说明

图1是本实用新型数码轨道实验器中无线发射器的仰视图。

图2是本实用新型数码轨道实验器中无线发射器的立体图。

图3是本实用新型数码轨道实验器中刻度尺的示意图。

图4是本实用新型数码轨道实验器中无线发射器的供电电路原理图。

图5是本实用新型数码轨道实验器中无线发射器的信号采集电路原理图。

图6是本实用新型数码轨道实验器中无线发射器的信号处理电路原理图。

图7是本实用新型数码轨道实验器中无线发射器的无线发射电路原理图。

图8是本实用新型数码轨道实验器中无线接收器的无线接收电路原理图。

图9是本实用新型数码轨道实验器中无线接收器的数据解析电路原理图。

图10是本实用新型数码轨道实验器中无线接收器的USB接口电路原理图。

图11是本实用新型数码轨道实验器中无线接收器的供电电路原理图。

其中：1、光电读数窗口，2、光电开关U5，3、光电开关U7，4、7号锂电池，5、电源开关，6、调零按键，7、限位槽，8、固定螺栓。

具体实施方式

本实用新型的无线智能测距数码轨道实验器主要包括力学轨道、轨道小车、无线发射器、无线接收器和计算机。力学轨道上设置有刻度尺，轨道小车安放在力学轨道上，无线发射器固定在轨道小车内，无线发射器与无线接收器以无线方式连接，无线接收器与计算机相连接。

无线发射器的外观结构如图1和图2所示，无线发射器的底部设有光电读数窗口1并安装有供电用的7号锂电池4（参见图4中的锂电池BT1），光电读数窗口1内设有两个间距为8.5mm的光电开关（参见图5中的U5）2和光电开关（参见图5中的U7）3，无线发射器的上面设有电源开关5、调零按键6（参见图6中的调零按键K1）、限位槽7和固定螺栓8。通过固定螺栓8将无线发射器固定在轨道小车内，无线发射器随轨道小车一起安放在力学轨道上任一位置，固定螺栓8可在限位槽7内调整位置。

刻度尺的形式如图3所示，由1mm宽的黑白相间的条纹排列而成，每一条黑色或白色条纹的宽度严格为1mm，相邻黑色条纹与白色条纹之间的中心距离严格为1mm。该刻度尺可以印刷后粘贴在力学轨道上，也可以直接在力学轨道上印刷。该刻度尺在数码轨道实验器上使用时精度可达到0.5mm，缩小黑白条纹的宽度可以提高测量精度。

无线发射器包括供电电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，其中供电电路与整个电路相连，为电路提供电源，信号采集电路与信号处理电路连接，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。

无线发射器的供电电路，如图4所示，主要包括1节3.6V标称的7号锂电池BT1、1片电压升压芯片U1、1片稳压芯片U2。锂电池BT1连接电压升压芯片U1的第5、6脚，经升压芯片U1升压的+5V通过第2、10脚输出，为单片机U3系统电路使用，同时+5V连接稳压芯片U2第1、2脚，电压经稳压芯片U2稳压至+3.3V供蓝牙串口从模块系统电路使用。

无线发射器的信号采集电路，包括刻度尺条纹信息读取电路和电池电量检测电路。刻度尺条纹信息读取电路如图5所示，主要是利用无线发射器的光电读数窗口1内的两个间距为8.5mm的光电开关U5和U7与信号处理电路中的单片机U3（参见图6）的第19、20脚相连接，检测力学轨道上刻度尺的条纹信息。电池电量检测电路连接7号锂电池4和单片机U3的第14、15脚，主要是将7号锂电池BT1的电压进行实时检测，并通过电池电量不足指示电路D3指示灯指示电池欠压状况。

无线发射器的信号处理电路，如图6所示，包括信号主处理器单片机U3、光电开关U5、光电开关U7、调零按键K1、下载接口J1和电池电量不足指示电路，光电开关U5、光电开关U7、调零按键K1、下载接口J1和电池电量不足指示电路均与单片机U3连接，光电开关U5和光电开关U7的间距为8.5mm。光电开关U5和U7检测力学轨道上粘贴的数码刻度尺的条纹信息，并且输出两路相位差为90°的正弦波，此两路正弦波信号送至单片机U3的P0.2、P0.3管脚，与此同时单片机U3通过内部DAC数模转换器功能使P0.0、P0.1管脚输出一个固定的参考比较电压，再利用单片机U3内部自带的比较器功能将采集的两路正弦波信号与参考比较电压进行比较，其输出信号为两路相位差为90°的方波，此两路方波再输入到单片机U3的单片机U3的第12、13管脚，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的上升沿和下降沿，使其产生中断计数，每次计数即为0.5mm的距离，则实际测量的距离值即为计数值*0.5mm，通过比较两路方波的相位变化来判断测量距离值应为增加还是减少。电池电量检测电路与单片机U3的第14、15脚相连，将7号锂电池BT1的电压通过R6、R7两个电阻分压后连接到单片机U3的第15管脚，利用单片机内部ADC模数转换器进行转换，并通过单片机内部自带的可编程窗口比较器功能实时检测电池电压，当电池电压低于设定的欠压阀值时，产生中断，使欠压指示灯D3闪烁，提醒用户电池电压已不足，需更换电池或充电，当电池电压高于设定的欠压阀值时，欠压指示灯D3为关断熄灭状态。电池电量不足指示电路利用D3指示。调零按键K1与单片机U3第16脚相连，使其具有调零功能。下载接口J1与单片机U3第2、32脚相连，为其提供程序下载接口。

无线发射器的无线发射电路，如图7所示，包括蓝牙串口从模块U8和配对指示灯D2。蓝牙串口从模块U8的第1、2脚与单片机U3第21、22脚连接，进行数据通讯，串口通讯的波特率为115200bps，蓝牙串口从模块U8再将数据载波到2.4GHz电磁波中以无线方式发出。二极管D1和电阻R15为串口通讯电压转换用，配对指示灯D2用于指示蓝牙配对是否成功。

无线接收器，包括无线接收电路、数据解析电路、USB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，供电电路与其余各电路连接，为电路提供电源。

无线接收器的无线接收电路，如图8所示，主要包括蓝牙串口主模块U2和蓝牙配对指示灯D2，蓝牙串口主模块U2与蓝牙配对指示灯D2连接。蓝牙串口主模块U2接收到与之配对的蓝牙串口从模块发射的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。蓝牙配对指示灯D2的指示状态用于指示蓝牙串口主模块是否与蓝牙串口从模块配对成功。

无线接收器的数据解析电路如图9所示，主要包括主处理器U1单片机和程序下载接口J2。单片机U1采用C8051F340，用于解析蓝牙串口主模块串口发送的数据，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J2连接至单片机U1的第13、14脚，用于单片机的程序下载。

无线接收器的USB接口电路，如图10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U1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。

无线接收器的供电电路，如图11所示，主要包括稳压芯片U3。+5V电源连接到稳压芯片U3的第1、3脚，经其稳压后从第5脚输出+3.3V电源。

上述数码轨道实验器的实验模式，如下所述：

无线发射器固定在轨道小车内，并一起放置在力学轨道上，无线接收器与计算机相连接。将无线发射器安放在力学轨道上任一位置，打开无线发射器的电源开关5，并轻按无线发射器上的调零按键6，则此位置即为测量距离的零点，改变无线发射器的位置时，利用无线发射器的光电读数窗口1检测力学轨道上刻度尺的条纹信息，再经无线发射器中的单片机U3进行数据处理，并将测量的距离数据通过蓝牙串口从模块U8发送出去，无线接收器的蓝牙串口主模块U2接收到无线数据后将其送至无线接收器中的单片机U1进行数据解析，并通过USB接口将解析数据上传到计算机。计算机通过软件实时显示无线发射器所在位置到零点的距离，并且还可以通过计算机软件的数据处理分析功能对一些运动学测量实验进行数据分析处理。

本实用新型还可移植到辅助工具上使用，如将刻度尺设置在气垫导轨上，并将无线发射器放置在气垫导轨上进行实验，不仅可以进行静态的位移测量，还可进行动态的数据测量分析，并通过计算机的软件处理分析功能研究物体的运动学规律。

Claims (10)

1.一种无线智能测距数码轨道实验器，包括力学轨道、轨道小车、无线发射器、无线接收器和计算机，其特征是：力学轨道上设置有刻度尺，轨道小车安放在力学轨道上，无线发射器固定在轨道小车内，无线发射器与无线接收器以无线方式连接，无线接收器与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述刻度尺是由1mm宽的黑白相间的条纹排列而成，每一条纹的宽度为1mm，相邻黑色条纹与白色条纹之间的中心距离为1mm。

3.根据权利要求1所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线发射器包括供电电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，供电电路与信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路均连接，信号采集电路与信号处理电路连接，信号处理电路与无线发射电路连接。

4.根据权利要求3所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线发射器的信号采集电路，包括检测力学轨道上刻度尺条纹信息的刻度尺条纹信息读取电路和实时检测供电电路电压的电池电量检测电路。

5.根据权利要求3所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线发射器的信号处理电路，包括单片机U3、两个光电开关、调零按键、下载接口和电池电量不足指示电路，两个光电开关、调零按键、下载接口和电池电量不足指示电路均与单片机U3连接，两个光电开关的间距为8.5mm。

6.根据权利要求3所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线发射器的无线发射电路，包括与无线发射器的信号处理电路中单片机U3连接的蓝牙串口从模块U8和用于指示蓝牙配对是否成功的配对指示灯D2。

7.根据权利要求1所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线接收器包括无线接收电路、数据解析电路、USB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，供电电路与其余各电路连接。

8.根据权利要求7所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线接收器的无线接收电路，包括蓝牙串口主模块U2和蓝牙配对指示灯D2，蓝牙串口主模块U2与蓝牙配对指示灯D2连接。

9.根据权利要求7所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线接收器的数据解析电路，包括用于解析蓝牙串口主模块串口发送的数据并将其进行数据解析上传的主处理器单片机U1和程序下载接口J2，程序下载接口J2与单片机U1连接。

10.根据权利要求7所述的无线智能测距数码轨道实验器，其特征是：所述无线接收器的USB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和数据解析电路中的单片机U1， USB接口J1连接计算机。

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