專利名稱：數字靜電實驗器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量靜電電荷量的實驗器，屬于靜電實驗技術領域。
背景技術：
靜電是中學物理教學內容中非常獨特的ー個部分，也是學生非常難以理解的ー個部分。其獨特在于這部分內容與其它部分的關聯程度不大，相對孤立，且較為抽象；但又因為是中學物理教學中少有的能將學生導向原子物理乃至量子論的基礎知識，靜電內容不可或缺。由于靜電的特性和傳統實驗儀器的限制，導致靜電實驗難做，致使學生難以理解。傳統的靜電計采用了 “電容式”結構，借助儀器本身構成了電容，因此，保持絕緣良好(包括空氣干燥)和器材潔凈，成為實驗成功與否的關鍵。但由于實驗環境的限制，實驗中極容易受到空氣濕度或溫度的影響發生漏電，致使實驗的成功率不高。傳統的靜電計還有兩方面的缺陷，即沒有量化的數據，只能通過指針偏的大小來定性的判斷電荷的大小，也不能夠區分電荷的極性。

發明內容
本發明針對現有靜電實驗技術存在的不足，提供一種不受外部環境影響、能夠顯示電荷正負和進行定量研究的數字靜電實驗器。本發明的數字靜電實驗器采用以下技術方案
該數字靜電實驗器，包括信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路、電源電路、無線發射電路和無線接收模塊；信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路和無線發射電路均與電源電路連接，信號調理電路與主控電路連接，液晶顯示電路和無線發射電路均與主控電路連接，無線發射電路與無線接收模塊之間采用藍牙無線通訊連接；無線接收模塊包括無線接收電路、數據解析電路、USB接ロ電路和供電電路，無線接收電路與數據解析電路連接，數據解析電路與USB接ロ電路連接，無線接收電路、數據解析電路和USB接ロ電路均與供電電路連接。信號調理電路，包括感應頭、電容C24、干簧管繼電器U8、調零按鍵S1、高阻抗運算放大器U6和雙運算放大器U9 ;感應頭經過電阻R18連接至電容C24，電容C24 —端接地，另一端連接至運算放大器U6，運算放大器U6與雙運算放大器U9連接，雙運算放大器U9與主控電路中的單片機U2連接；干簧管繼電器U8和調零按鍵SI組成調零電路，調零按鍵SI與干簧管繼電器U8連接,干簧管繼電器U8 —方面與電容C24的電壓輸出端連接,一方面接地。主控電路，包括單片機U2、下載接口和電池電量檢測電路(電阻R30和R31);下載接口和電池電量檢測電路均與單片機U2連接。液晶顯示電路，包括IXD驅動器U5、液晶屏和場效應管Ql，液晶屏與IXD驅動器U5連接，場效應管Ql與液晶屏連接，IXD驅動器U5與主控電路中的單片機U2連接。電源電路，包括開關機電路、穩壓電路、正負電源電路和基準源電路四部分；開關機電路由場效應管Q2和開關機按鍵S2 ;穩壓電路使用穩壓芯片U1，將由開關機電路輸入的電源穩定為3. 3V電壓，為主控電路、液晶顯示電路、無線通訊電路提供電源；正負電壓電路采用正負電源芯片U7，輸出±15V電壓為信號調理電路提供正負電源；基準源電路采用基準源芯片U3，穩定輸出紋波很小的2. 5V電壓為主控電路中的單片機內部ADC模塊提供電壓基準。無線發射電路，包括從藍牙串ロ模塊U4和場效應管Q4，從藍牙串ロ模塊U4與主控電路中的單片機U2連接，場效應管Q4與從藍牙串ロ模塊U4連接并與主控電路中的單片機U2連接。無線接收模塊中的無線接收電路，包括主藍牙串ロ模塊U11、藍牙配對指示燈D7以及配對按鍵S2，主藍牙串ロ模塊Ull與藍牙配對指示燈D7連接，指示燈D7用于指示主藍牙串ロ模塊Ul I是否與從藍牙串ロ模塊配對成功，配對按鍵S2與主藍牙串ロ模塊Ul I相連。主藍牙串ロ模塊Ull接收到與之配對的從藍牙串ロ模塊U4發射的電磁波，并將其內部數據信息解析出來，發送給數據解析電路。
無線接收模塊中的數據解析電路，包括單片機UlO和程序下載接ロ J3，程序下載接ロ與單片機Uio連接，用于單片機UlO的程序下載，單片機UlO用于接收主藍牙串ロ模塊Ull發送的數據，并進行數據解析。無線接收模塊中的接ロ電路，包括瞬態抑制ニ極管TVSl和USB接ロ，瞬態抑制ニ極管TVSl連接USB接口和單片機U10，對數據通訊起到靜電保護作用，USB接ロ用于與外部計算機相連接。無線接收模塊的供電電路，包括穩壓芯片U12，用于將+5V電壓穩壓后輸出+3. 3V電壓。將無線接收模塊與計算機連接，打開電源開關，并輕按調零按鍵，使液晶屏顯示為零。使用摩擦過的玻璃棒或橡膠棒靠近或接觸輸入端(感應頭)，液晶屏將顯示當前的靜電電荷。計算機顯示當前的電荷量及電荷量示波顯示。本發明設置了大電容電路，電容量比傳統靜電計大了若干個量級，帶電后的電勢也相應降低，借助數字化的信號采集功能，可對靜電實驗中的數據進行動態實時顯示和記錄存儲。不僅可以定量顯示電荷的大小，而且可以顯示電荷的正負，不受外部環境因素影響，使用可靠，具有極性指示、高靈敏度且靈敏度可調、定量研究、過程研究、可供大型演示使用等特點。


靜
圖1是本發明數字靜電實驗器的正面結構示意圖。圖2是本發明數字靜電實驗器的反面結構示意圖。圖3是本發明中信號調理電路的電路原理圖。圖4是本發明中主控電路的電路原理圖。圖5是本發明中液晶顯示電路的電路原理圖。圖6是本發明中穩壓電路的電路原理圖。圖7是本發明中開關機電路的電路原理圖。圖8是本發明中正負電源電路的電路原理圖。圖9是本發明中基準源電路的電路原理圖。
圖10是本發明中無線發射電路的電路原理圖。圖11是本發明中無線接收模塊的電路原理圖。圖12是本發明中無線接收模塊的數據解析電路的電路原理圖。圖13是本發明中無線接收模塊的USB接ロ電路的電路原理圖。圖14是本發明中無線接收模塊的供電電路的電路原理圖。其中1、電源開關，2、調零按鍵，3、輸入端，4、液晶屏，5、支架，6、地線插頭，7、電池倉。
具體實施例方式本發明的靜電實驗器是ー個包括信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路、電源電路、無線發射電路、無線接收模塊和計算機軟件在內的實驗教學系統，其中信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路、電源電路和無線發射電路組成靜電計。其中電源電路又包括穩壓電路、開關機電路、正負電源電路、基準源電路。電源電路為整個電路提供電源，信號調理電路與主控電路連接，信號調理電路采集的各種信號送至主控電路進行處理，主控電路與液晶顯示電路和無線發射電路連接，將處理好的數字信號在液晶屏顯示并可通過串ロ接ロ送至無線發射電路。無線發射電路與無線接收模塊之間采用藍牙無線通訊，無線接收模塊將實驗數據上傳至計算機，由計算機中的軟件進行數據處理。靜電實驗器的外觀如圖1和圖2所示，右側設有電源開關1，右上方設有調零按鍵2，左上方設有輸入端3，正面設置液晶屏4，底部設置有支架5。如圖2所示，左面下部設有地線插ロ 6。靜電計底面設置有電池倉7，電池倉7中安裝的是標稱3. 7V的鋰電池。附件有球形輸入端、法拉第圓筒、鋅板、屏蔽板。根據不同的實驗可以更換不同的附件，法拉第圓筒可以做兩種電荷實驗，鋅板可以用來做光電效應實驗，球形輸入端和屏蔽板組合可以用來做靜電屏蔽實驗。實驗時，將無線接收模塊與計算機連接，單擊按下電源開關1，開啟電源。按ー下調零按鍵2，使液晶屏4的顯示為零。帶靜電的物體接近或接觸靜電計的輸入端3時，信號調理電路對電信號進行放大調整。由主控電路中的單片機U2進行處理并轉化成數字信號，隨后將信號數據在液晶屏4上進行顯示，并通過無線發射電路發送出去。無線接收模塊接收到信號后，由數據解析電路中的單片機Ul進行數據解析，并通過USB ロ將解析數據上傳到計算機。計算機將依據所獲得數據實時顯示靜電電荷的大小，并可示波顯示數據。測量和計算結果均通過計算機軟件顯示，并可通過人機交互進行原始測量結果的處理和應用。計算機軟件采用VC++開發,安裝運行于WindowsXP、Windows7等主流操作系統上，內置公式庫和算法庫，支持中學物理實驗數據處理的需求。信號調理電路如圖3所示，主要包括感應頭、基丙烯電容C24、干簧管繼電器U8、調零按鍵SI (即圖1中的調零按鍵2)、高阻抗運算放大器U6 (INA116UA)和雙運算放大器U9(TL062)。電容C24為基丙烯電容，電容量為lOOOOpF，聚丙烯電容無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優異(頻率響應寬廣)，而且介質損失很小。基于以上的優點，可以有效保證電容存貯的電荷不會在短時間內漏沒。感應頭經過電阻R18連接至基丙烯電容C24，當帶有靜電的物體接近或接觸感應頭(輸入端)吋，電荷將對電容C24進行充電，在電容C24的兩端會形成電勢差。由C=Q/U可知，電容C24兩端的電壓U與流入的電荷Q成正比。電容C24—端接地，另一端連接至運算放大器U6 (INA116UA), INA116UA的輸入阻抗大于IO15Q,漏電流極小，因此可以保證電容C24的電荷不會很快流失。經過運算放大器U6的阻抗轉換后的信號輸入至雙運算放大器U9進行放大、調整，以符合單片機U2的ADC的輸入要求。INAl 16UA的輸出腳經過R24、R27電阻分壓后連接至雙運算放大器U9 (TL062)。信號經雙運算放大器U9放大后由第7腳輸出至主控電路。因為電容中電荷很難漏棹，為了能夠快速進行重復試驗，因此增加了調零電路，調零電路由調零按鍵SI和干簧管繼電器U8組成，調零按鍵SI與干簧管繼電器U8連接，干簧管繼電器U8的I腳與聚丙烯電容C24的電壓輸出端連接，干簧管繼電器U8的3、4腳接地。當調零按鍵SI按下時，干簧管繼電器U8的2腳會有電壓輸入，干簧管繼電器U8的I腳便會在內部與地連接，基丙烯電容C24中的電荷便會很快流掉。主控電路如圖4所示，包括單片機U2 (C8051F410)、下載接口和電池電量檢測電路(電阻R30和R31)。信號調理電路的輸出信號連接至單片機U2的第29腳，此腳被單片機程序配置為單片機ADC的輸入腳，單片機U2對信號進行AD采樣。下載接口和電池電量檢測電路均與單片機U2連接。單片機U2的第21、22串ロ管腳連接至無線發射電路。單片機U2的第17、18、19、20腳連接至液晶顯示電路。單片機U2處理后的數據可以在液晶屏上進行顯示，也可以通過無線發射電路傳輸至無線接收模塊。電阻R30和R31對鋰電池電壓分壓后連接至單片機U2的第24腳，第24腳配置成ADC的輸入腳，單片機U2進行AD采樣后判斷鋰電池的電量數據，并將電量信息在液晶屏上顯示，當電量低于最小閥值時，單片機U2將關閉電源電路。單片機U2通過第16腳控制無線發射電路的電源通斷。液晶顯示電路如圖5所示，主要包括！XD驅動器U5 (段式液晶屏驅動芯片HT1621B)、液晶屏(定制的段式液晶屏Icdl)和場效應管Ql (A03401)。HT1621B是128點、內存映像和多功能的LCD驅動器，HT1621B的第9、10、11、12腳連接至單片機似，111'16218的SEG
依次連接至液晶屏的SEG
引腳，單片機U2將顯示的數據傳輸至HT1621B，HT1621B實現對段式液晶屏的顯示刷新。場效應管Ql與液晶屏背光板連接，液晶屏的背光通過場效應管Ql被單片機控制，場效應管Ql (A03401)的LCD_EN信號線連接至單片機U2，可以控制液晶屏背光的売滅。電源電路的穩壓電路如圖6所示，主要包括穩壓芯片U1(LTC3440EMS)。穩壓芯片Ul及周圍電路可以經電源輸入轉化為穩定的3. 3V電壓，為整個其它電路提供3. 3V電源。電源電路的開關機電路如圖7所示，主要包括I節3. 7V標稱鋰電池BTl、場效應管Q2。鋰電池BTl連接至開關機電路，當開關機按鍵S2按下吋，開機電路使場效應管Q2導通，同時將按鍵信號傳至單片機U2的Pl. 6腳，單片機U2檢測到按鍵信號，通過Pl. 5腳控制場效應管Q2狀態鎖定，完成開機。當開關機按鍵再次按下吋，單片機U2檢測到按鍵信號，控制Pl. 5腳，使場效應管Q2截止，完成關機。電源電路的正負電路如圖8所示，采用正負電源芯片U7 (LTC1945)。正負電源芯片U7可以穩定輸出土 15V電壓，為信號調理電路中運算放大器U6和雙運算放大器U9提供正負電源。電源電路的基準源電路如圖9所示，主要包括基準源芯片U3(ADR391AUJZ)。基準源芯片U3可以輸出紋波很小的2. 5V電壓，輸出連接至單片機U2的第11腳(VREF腳)，為單片機U2內部的ADC電路提供穩定的基準源，保證ADC采樣值得準確穩定。無線發射電路如圖10所示，主要包括從藍牙串ロ模塊U4和場效應管Q4。從藍牙串ロ模塊U4的第1、2腳與單片機U2第21、22腳連接。場效應管Q4與從藍牙串ロ模塊U4的12腳連接并與主控電路中單片機U2的16腳連接。場效應管Q4被單片機U2的16腳控制以靈活開關藍牙模塊的電源。無線接收模塊包括無線接收電路、數據解析電路、USB接ロ電路和供電電路，無線接收電路與數據解析電路連接，數據解析電路與USB接ロ電路連接，無線接收電路、數據解析電路和USB接ロ電路均與供電電路連接，供電電路為其它電路提供電源。無線接收模塊的無線接收電路如圖11所示，包括主藍牙串ロ模塊U11、藍牙配對指示燈D7以及配對按鍵S2。主藍牙串ロ模塊Ull接收到與之配對的從藍牙串ロ模塊發射的2.4GHz電磁波，并將其內部數據信息解析出來，通過串ロ接ロ發送給數據解析電路。主藍牙串ロ模塊Ull與藍牙配對指示燈D7連接，指示燈D7用于指示主藍牙串ロ模塊是否與從藍牙串ロ模塊配對成功。配對按鍵S2與主藍牙串ロ模塊Ull的第26腳相連，按下時主藍牙串ロ模塊Ull將重新搜索從藍牙串ロ模塊U4,自動配對。無線接收模塊的數據解析電路如圖12所示，主要包括單片機UlO和程序下載接ロJ3。單片機UlO用于接收主藍牙串ロ模塊發送的數據，并將其進行數據解析，再通過接ロ電路上傳至計算機。程序下載接ロ連接至單片機UlO的第13、14腳，用于單片機UlO的程序下載。無線接收模塊的接ロ電路如圖13所示，主要包括瞬態抑制ニ極管TVSl和USB接ロ。瞬態抑制ニ極管TVSl連接USB接口和單片機UlO的第8、9腳，對數據通訊起到靜電保護作用，USB接ロ與計算機相連接。無線接收模塊的供電電路如圖14所示，主要包括穩壓芯片U12，+5V電壓連接穩壓芯片U12的第1、3腳，經其穩壓后從第5腳輸出+3. 3V電壓。上述靜電實驗器的實驗模式如下所述
將無線接收模塊接入計算機，打開電源開關I，并輕按調零按鍵2，此時液晶屏4顯示為零。開機時液晶屏4上的無線標示閃爍，當無線發射電路與無線接收模塊配對完畢，無線標示亮起不再閃爍。使用絲綢摩擦過的玻璃棒或者毛皮摩擦過的橡膠棒靠近或接觸輸入端(感應頭)，液晶屏4將顯示當前的靜電電荷。打開計算機專用軟件，點擊“開始記錄”，計算機軟件開始 顯示當前的電荷量，點擊“示波”按鈕，電荷量示波顯示。本發明具有以下的特點1、極性指示當需要判斷極性時，傳統靜電計必須有ー個參考電荷，而本發明靜電計可以直接指示極性。2、高靈敏度且靈敏度可調本發明的靈敏度顯著高于傳統靜電計且靈敏度可以調整，靜電實驗的范圍可以因測量工具的升級而擴大。3、定量研究本發明的ー個重要優勢在于有線性標度，與只能粗略測量的傳統靜電計相比，精度更高。因此可以用本發明來驗證物理定律是線性還是指數關系。這使得實驗中脫離了定性觀察狀態，進入到了測量、分析階段。不僅可以定量顯示電荷的大小，而且可以顯示電荷的正負。4、過程研究本發明可以借助示波顯示方式實時動態地展示、記錄靜電實驗的過程。
5、可供大型演示使用與計算機相連，專用軟件有數字、示波、儀表等多種顯示模式，可與投影、白板等現代化電教手段聯用。
權利要求
1.一種數字靜電實驗器，包括信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路、電源電路、無線發射電路和無線接收模塊；其特征是信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路和無線發射電路均與電源電路連接，信號調理電路與主控電路連接，液晶顯示電路和無線發射電路均與主控電路連接，無線發射電路與無線接收模塊之間采用藍牙無線通訊連接；無線接收模塊包括無線接收電路、數據解析電路、USB接口電路和供電電路，無線接收電路與數據解析電路連接，數據解析電路與USB接口電路連接，無線接收電路、數據解析電路和USB接口電路均與供電電路連接。
2.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述信號調理電路包括感應頭、 電容C24、干簧管繼電器U8、調零按鍵S1、高阻抗運算放大器U6和雙運算放大器U9 ;感應頭經過電阻R18連接至電容C24，電容C24 —端接地，另一端連接至運算放大器U6，運算放大器U6與雙運算放大器U9連接，雙運算放大器U9與主控電路中的單片機U2連接；干簧管繼電器U8和調零按鍵SI組成調零電路，調零按鍵SI與干簧管繼電器U8連接，干簧管繼電器 U8 一方面與電容C24的電壓輸出端連接，一方面接地。
3.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述主控電路，包括單片機U2、 下載接口和電池電量檢測電路；下載接口和電池電量檢測電路均與單片機U2連接。
4.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述液晶顯示電路，包括LCD驅動器U5、液晶屏和場效應管Q1，液晶屏與LCD驅動器U5連接，場效應管Ql與液晶屏連接， IXD驅動器U5與主控電路中的單片機U2連接。
5.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述無線發射電路，包括從藍牙串口模塊U4和場效應管Q4，從藍牙串口模塊U4與主控電路中的單片機U2連接，場效應管 Q4與從藍牙串口模塊U4連接并與主控電路中的單片機U2連接。
6.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述無線接收模塊中的無線接收電路，包括主藍牙串口模塊Ul1、藍牙配對指示燈D7以及配對按鍵S2，主藍牙串口模塊 Ull與藍牙配對指示燈D7連接，指示燈D7用于指示主藍牙串口模塊UlI是否與從藍牙串口模塊配對成功，配對按鍵S2與主藍牙串口模塊Ull相連；主藍牙串口模塊Ull接收到與之配對的從藍牙串口模塊U4發射的電磁波，并將其內部數據信息解析出來，發送給數據解析電路。
7.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述無線接收模塊中的數據解析電路，包括單片機UlO和程序下載接口 J3，程序下載接口與單片機UlO連接，用于單片機 UlO的程序下載，單片機UlO用于接收主藍牙串口模塊Ull發送的數據，并進行數據解析。
8.根據權利要求1所述的數字靜電實驗器，其特征是所述無線接收模塊中的接口電路，包括瞬態抑制二極管TVSl和USB接口，瞬態抑制二極管TVSl連接USB接口和單片機 U10，對數據通訊起到靜電保護作用，USB接口用于與外部計算機相連接。
全文摘要
本發明提供一種數字靜電實驗器，包括信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路、電源電路、無線發射電路和無線接收模塊；信號調理電路、主控電路、液晶顯示電路和無線發射電路均與電源電路連接，信號調理電路與主控電路連接，液晶顯示電路和無線發射電路均與主控電路連接，無線發射電路與無線接收模塊之間采用藍牙無線通訊連接；本發明設置了大電容電路，帶電后的電勢也相應降低，借助數字化的信號采集功能，可對靜電實驗中的數據進行動態實時顯示和記錄存儲。不僅可以定量顯示電荷的大小，而且可以顯示電荷的正負，不受外部環境因素影響，使用可靠，具有極性指示、高靈敏度且靈敏度可調、定量研究、過程研究、可供大型演示使用等特點。
文檔編號G09B23/18GK103021238SQ20121052141
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者馮容士, 趙進, 李鼎 申請人:山東省遠大網絡多媒體股份有限公司