CN205692444U - 激光光电彩屏显示计时仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供激光光电彩屏显示计时仪，包括单片机模块、激光计时模块、电源模块、彩屏显示模块和自由落体模块，自由落体模块包括底座、立柱、电磁铁和捕球器。激光光电彩屏显示计时仪，具有独立计时、测速功能，也可以作为大学物理教学演示仪器验证自由落体运动是匀加速运动。本仪器共有三种工作模式，两种独立计时模式和一种自由落体模式。工作于独立计时模式时，本仪器具有查看历史时间功能。

Description

激光光电彩屏显示计时仪

技术领域

本实用新型涉及计时仪器领域，尤其涉及一种激光光电彩屏显示计时仪。

背景技术

在工程实践中，经常会遇到各种需要计时、测量速度的场合，激光光电计时仪是物理实验中常用的一种计时仪器，它可以计时、测量运动物体的速度和加速度等物理量。现有激光光电计时仪器设备成本较高，无法满足高校等教学演示需求。

发明内容

本实用新型要解决以上技术问题，提供一种激光光电彩屏显示计时仪。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：激光光电彩屏显示计时仪，包括单片机模块、激光计时模块、电源模块、彩屏显示模块和自由落体模块，所述自由落体模块包括底座、立柱、电磁铁和捕球器，所述立柱和所述捕球器均位于所述底座上，所述立柱上设有刻度尺，所述立柱的顶端设有所述电磁铁，所述捕球器位于所述电磁铁正下方，所述激光计时模块包括信号处理电路和多个激光光电门，所述激光光电门设于所述立柱上，且可沿所述立柱上下移动，所述激光光电门通过所述信号处理电路与所述单片机模块相连，所述电源模块包括变压器和稳压电路，所述变压器通过所述稳压电路与所述激光计时模块相连，所述彩屏显示模块与所述单片机模块相连。

所述稳压电路包括依次连接的整流桥、稳压器和滤波电容。

所述稳压器型号为LM7805CT和LM7905CT。

所述单片机模块包括单片机实验板、键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路和通信接口电路，所述单片机实验板分别与所述键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路、通信接口电路相连。

所述单片机实验板型号为MSP430F149芯片。

所述彩屏显示模块包括彩屏和转接板，所述彩屏通过所述转接板与所述单片机实验板相连。

所述转接板型号为ILI9486。

所述信号处理电路包括信号放大电路和信号汇总处理电路，所述激光光电门依次通过所述信号放大电路、所述信号汇总处理电路与所述单片机实验板相连。

本实用新型具有的优点和积极效果是：激光光电彩屏显示计时仪，具有独立计时、测速功能，也可以作为大学物理教学演示仪器验证自由落体运动是匀加速运动。本仪器共有三种工作模式，两种独立计时模式和一种自由落体模式。工作于独立计时模式时，本仪器具有查看历史时间功能。激光计时模块设有信号处理电路，对脉冲信号整形，保证了信号的平整；单片机模块采用MSP430F149单片机实验板，该芯片功耗低，具有宽工作电压范围，系统频率较快，时钟系统灵活，中断功能强大；彩屏由ILI9486L转接板控制，根据ILI9486L说明书编写驱动程序，色彩位数为16位，可显示65K真彩色，颜色鲜艳饱满，显示效果非常好。

附图说明

图1是激光光电彩屏显示计时仪的功能框图；

图2是激光光电彩屏显示计时仪的单片机模块电路图（不包含键盘电路）；

图3是激光光电彩屏显示计时仪的键盘电路图；

图4是激光光电彩屏显示计时仪的激光计时模块电路图；

图5是激光光电彩屏显示计时仪的电源模块电路图；

图6是激光光电彩屏显示计时仪的彩屏显示模块中转接板电路图；

图7是自由落体模块结构示意图。

图中：1、单片机模块 2、激光计时模块 3、电源模块 4、彩屏显示模块 5、底座 6、立柱 7、电磁铁 8、捕球器 9、刻度尺 10、激光光电门。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。

如图1-7所示，激光光电彩屏显示计时仪，包括单片机模块1、激光计时模块2、电源模块3、彩屏显示模块4和自由落体模块，所述自由落体模块包括底座5、立柱6、电磁铁7和捕球器8，所述立柱6和所述捕球器8均位于所述底座5上，所述立柱6上设有刻度尺9，所述立柱6的顶端设有所述电磁铁7，所述捕球器8位于所述电磁铁7正下方，所述激光计时模块2包括信号处理电路和多个激光光电门10，所述激光光电门10设于所述立柱6上，且可沿所述立柱6上下移动，所述激光光电门10通过所述信号处理电路与所述单片机模块相连，所述电源模块3包括变压器和稳压电路，所述变压器通过所述稳压电路与所述激光计时模块2相连，所述彩屏显示模块4与所述单片机模块1相连。

所述稳压电路包括依次连接的整流桥、稳压器和滤波电容。

所述稳压器型号为LM7805CT和LM7905CT。

所述单片机模块1包括单片机实验板、键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路和通信接口电路，所述单片机实验板分别与所述键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路、通信接口电路相连。

所述单片机实验板型号为MSP430F149芯片。

所述彩屏显示模块4包括彩屏和转接板，所述彩屏通过所述转接板与所述单片机实验板相连。

所述转接板型号为ILI9486。

所述信号处理电路包括信号放大电路和信号汇总处理电路，所述激光光电门10依次通过所述信号放大电路、所述信号汇总处理电路与所述单片机实验板相连。

激光光电彩屏显示计时仪的最佳实施例的工作原理：基于MSP430单片机，由MSP430F149单片机实验板和激光计时模块2、电源模块3、彩屏显示模块4和自由落体模块组成。

激光计时模块2是由激光光电门10和信号处理电路两部分组成，激光光电门10的一臂的内侧附有发光装置（发射激光的装置是激光二极管，发出的光束很细），另一臂的内侧附有接激光接收装置，当物体在它们之间通过时，二极管发出的激光被物体挡住，接收装置不能接收到激光信号，同时发出一个脉冲信号。此信号经过运放放大，再经非门整形，最后经过与非门汇总多个激光光电门10的信号传送给MSP430F149单片机实验板编程处理。

彩屏显示模块4是由MSP430F149单片机实验板编程将单片机处理过的信息显示在屏幕上，同时彩屏与键盘配合使用可以选择模式、显示历史数据。彩屏的转接板型号为ILI9486，通过厂商提供的说明书编写驱动程序，进而编写应用程序使用彩屏显示信息。

自由落体模块则由立柱6、电磁铁7、激光光电门10和捕球器8构成。其主体是一个有刻度尺9的立柱6，其底座5上有调节螺丝可用来调竖直。立柱6上端有一电磁铁7，可用来吸住小钢球。电磁铁7断电后，小钢球即自由下落落入捕球器8内。立柱6上装有四对可沿立柱6上下移动的激光光电门10。小球开始释放时计时仪开始计时，小钢球做自由落体运动，依次经过四个激光光电门10，激光光电门10记录下小球通过四个激光光电门10的时间，从铁架上的刻度尺9读出激光光电门10的位置，减去小钢球开始时的位置（是小钢球最高处边缘对应的位置）就得到相应时间段内发生的位移大小，相应的时间t由光电计时仪测出。实验证明，自由落体运动的位移与所用时间的平方成正比。所以，自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

另外，运放等元器件的电源由变压器将220V电源变换成8V，交流电再由LM7805CT和LM7905CT等稳压器稳压为±5V输出。

具体功能模块划分：

（1）电源模块3：由变压器、稳压电路组成，为其他模块提供稳压电源。变压器可将220V交流电转变为8V交流电。稳压电路由整流桥、LM7805CT稳压器、LM7905CT稳压器和滤波电容组成，可以稳定输入±5V电源。如图5所示，变压器BRIDGE2将220V交流电转变为8V交流电，再经由稳压电路，最后稳定输入±5V电源，稳压电路包括由电容C1、C2、C5、C6组成的整流桥、LM7805CT稳压器、LM7905CT稳压器及由C3、C4 、C6、C7组成的滤波电路。

（2）激光计时模块2：由激光光电门10、信号放大电路和信号汇总处理电路组成，激光光电门10产生脉冲经电路送给单片机实验板进行处理。激光光电门10的一臂的内侧附有发光装置（发射激光的装置是激光二极管，发出的光束很细），另一臂的内侧附有激光接收装置，当物体在它们之间通过时，二极管发出的激光被物体挡住，接收装置不能接收到激光信号，同时发出一个脉冲信号。信号放大电路由两个运算放大器构成，负责将信号放大传送给下一级电路。信号汇总处理电路由非门、与非门组成，非门将激光光电门10传来的脉冲信号整形，保证信号的平整，与非门将多个光电门的信号汇总并传送给单片机实验板处理。图4为由四个激光光电门组成的激光计时模块的最佳实施方式，激光光电门10的一臂的内侧附有激光二极管D1，另一臂的内侧附有激光接收装置，当物体在它们之间通过时，二极管发出的激光被物体挡住，接收装置不能接收到激光信号，同时发出一个脉冲信号。信号放大电路由两个运算放大器（型号为CA082）构成，负责将信号放大传送给下一级电路。信号汇总处理电路由非门（型号为74HC14）、与非门（型号为CD4078）组成，非门74HC14将激光光电门10传来的脉冲信号整形，保证信号的平整，与非门CD4078将多个光电门的信号汇总并传送给单片机实验板处理。

（3）单片机模块1：MSP430F149单片机实验板，上有键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路、通信接口电路等部分，用于处理激光计时部分产生的信号，控制彩屏，选择模式，控制整个系统。MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB+256字节FLASH，2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等模块。该芯片功耗低，具有宽工作电压范围，系统频率较快，时钟系统灵活，中断功能强大。图2和图3为单片机模块1的最佳实施方式电路图，控制核心为MSP430F149单片机实验板，键盘电路通过接口模块JP12与MSP430F149单片机实验板，键盘电路的PA10至PA17与接口模块JP12的1、3、5、7、9、11、13、15引脚相连，接口模块JP12的2、4、6、8、10、12、14、16引脚与MSP430F149单片机实验板12、13、14、15、16、17、18、19引脚相连；电源电路包括电阻R1和电容C18；复位电路的REST复位信号与MSP430F149单片机实验板的58引脚相连；晶振电路的输出信号XT2IN、XT2OUT与MSP430F149单片机实验板的53、52引脚相连；通信接口的输出端VeREF+、VREF-与MSP430F149单片机实验板的10、11引脚相连。

（4）彩屏显示模块4：由3.5寸彩屏和转接板组成，由单片机实验板控制显示信息。3.5寸TFT彩屏是由ILI9486L转接板控制，根据ILI9486说明书编写驱动程序，色彩位数为16位，可显示65K真彩色，颜色鲜艳饱满，显示效果非常好。采用8位并行方式与单片机连接。彩屏的字符库是根据GB2312编码表用字符取模软件编写的。

（5）自由落体模块：由立柱6、电磁铁7、激光光电门10和捕球器8构成，用于验证自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。其主体是一个有刻度尺9的立柱6，其底座5上有调节螺丝可用来调竖直。立柱6上端有一电磁铁7，可用来吸住小钢球。电磁铁7断电后，小钢球即自由下落落入捕球器8内。立柱6上装有四对可沿立柱6上下移动的激光光电门10。

激光光电彩屏显示计时仪可以独立计时、测速，也可以作为大学物理教学演示仪器验证自由落体运动是匀加速运动。本仪器共有三种工作模式，通过三个按键进行选择，K1、K2和K3。两种独立计时模式：每经过一个激光光电门计一次时和每经过两个光电门计一次时，还有一种自由落体模式（用于计算物体的重力加速度g）。

工作于独立计时模式时，为了便于使用者查看历史时间，我们设置了两个独立按键，K15和K16。其中，K15用于查看上一个历史时间，K16用于查看下一个历史时间。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：包括单片机模块、激光计时模块、电源模块、彩屏显示模块和自由落体模块，所述自由落体模块包括底座、立柱、电磁铁和捕球器，所述立柱和所述捕球器均位于所述底座上，所述立柱上设有刻度尺，所述立柱的顶端设有所述电磁铁，所述捕球器位于所述电磁铁正下方，所述激光计时模块包括信号处理电路和多个激光光电门，所述激光光电门设于所述立柱上，且可沿所述立柱上下移动，所述激光光电门通过所述信号处理电路与所述单片机模块相连，所述电源模块包括变压器和稳压电路，所述变压器通过所述稳压电路与所述激光计时模块相连，所述彩屏显示模块与所述单片机模块相连。

2.根据权利要求1所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述稳压电路包括依次连接的整流桥、稳压器和滤波电容。

3.根据权利要求2所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述稳压器型号为LM7805CT和LM7905CT。

4.根据权利要求1所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述单片机模块包括单片机实验板、键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路和通信接口电路，所述单片机实验板分别与所述键盘电路、电源电路、复位电路、晶振电路、通信接口电路相连。

5.根据权利要求4所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述单片机实验板型号为MSP430F149芯片。

6.根据权利要求4所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述彩屏显示模块包括彩屏和转接板，所述彩屏通过所述转接板与所述单片机实验板相连。

7.根据权利要求6所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述转接板型号为ILI9486。

8.根据权利要求4所述的激光光电彩屏显示计时仪，其特征在于：所述信号处理电路包括信号放大电路和信号汇总处理电路，所述激光光电门依次通过所述信号放大电路、所述信号汇总处理电路与所述单片机实验板相连。