二維平拋實驗儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型是一種二維平拋實驗儀，傳統的這種儀器在做實驗時無法給學生看到平拋運動的即時軌跡曲線。為了解決這一問題。本實用新型推出一種電子傳感二維平拋實驗儀，它由機械部分結構和電子電路兩大部分構成，包含有主體支撐板，底座，滑動導軌，和滑動導軌上固定的電磁鐵，一個由垂直正交的紅外射線交織而成的紅外射線坐標，有單片機，及其周邊的外接電源，電源電路，縱、橫向紅外發射模塊、縱、橫向紅外接收模塊，存儲模塊、和電腦軟件。所說的縱、橫向紅外發射模塊就是豎直和水平布置的紅外發射條形板，所述的縱、橫向紅外接收模塊就是豎直和水平布置的紅外接收條形板，它們分別包含有級聯芯片、數字信號整形芯片、紅外發射管電路和紅外接收管電路。
【專利說明】二維平拋實驗儀
[【技術領域】]
[0001] 平拋運動實驗儀是中學物理課中的實驗儀器，它測量出小球自始發點到終落點或 者得到垂直水平兩球相撞點的的時間值然后通過計算來證明"平拋運動是水平方向上的 直線勻速運動和堅直方向上的自由落體運動的合成"這一結論。
[【背景技術】]
[0002] 現有的平拋運動實驗儀其構造大體上與本實用新型有點相近，但是它是一種需要 用傳感器測出鋼球運動的始發點和終落點，還需要用一個垂直下落的第二鋼球參與實驗， 讓它在與第一鋼球在空中相撞，在獲得這三個點的時候，通過測量鋼球的始發、相撞、落點 的時間，距離，再用計算方法來證明鋼球運動性質符合平拋運動的規律。但這種實驗儀器不 能給出可即時顯示給學生看到的小球運動的完整平拋運動的軌跡曲線。如果一定要獲得平 拋運動曲線，只能通過很多次地改變可上下移動的X橫坐標的不同高度，來獲得很多落點 的辦法，將這許許多多點連接成線的辦法，費時、費力。
[實用新型內容]
[0003] 本實用新型的目的在于推出一種配有新式二維傳感系統的二維平拋實驗儀，它在 實驗時能夠把鋼珠運動的平拋運動特性曲線即時地顯示在儀器的平板上，讓學生直接看到 這條平拋運動曲線。并且通過計算可以證明它符合平拋運動的物理計算公式。也為了簡化 實驗操作程序和其機械結構，省略第二鋼球這樣的部分結構。本實用新型的結構如下：
[0004] 1，一種二維平拋實驗儀，它由機械部分結構和電子電路兩大部分構成，機械部分 包含有垂直直立的主體支撐板，水平布置的底座，位于主體支撐板頂端一角嶼位置上的滑 動導軌，滑動導軌上固定有用于吸住或釋放鋼質小球的一個電磁鐵，其特征是：機械部分： 在主體支撐板的左側邊沿和右側邊沿上固定有面面相對的兩條堅直布置的紅外發射條形 板和紅外接收條形板；而在主體支撐板的頂端邊沿和底端邊沿分別設置有水平布置的紅 外發射條形板和紅外接收條形板,它們構成一個由垂直正交的紅外射線交織而成的紅外射 線坐標；水平布置的底座上有電源開關和接插件；電子電路部分包含有：居核心部位的單 片機，其周邊電路有外接電源、電源電路、橫向紅外接收模塊、縱向紅外接收模塊、縱向紅外 發射模塊、橫向紅外發射模塊、存儲模塊、和電腦軟件以及一個主控板盒，所說的縱向紅外 發射模塊就是堅直布置的紅外發射條形板，所說的橫向紅外發射模塊就是水平布置的紅外 發射條形板，兩者分別包含有級聯芯片74HC595、74HC14數字信號整形芯片、和紅外發射管 電路；所述的縱向紅外接收模塊就是堅直布置的紅外接收條形板，所說的橫向紅外接收模 塊是水平布置的紅外接收條形板，兩者分別包含有級聯芯片74HC595、數字信號整形芯片 74HC14、和紅外接收管電路。
[0005] 2,所說的主控板盒是一個外接的主控板盒，其內包含有控制整個系統運行的單片 機芯片，電源輸入接口，電源電路，存儲模塊，與電腦通訊用的USB接口，紅外發射管左側入 口，紅外發射管上側入口，紅外接收管右側入口，紅外接收管下側入口。
[0006] 3,所說的存儲模塊是型號為AT24C02的存儲模塊。
[0007] 4,所說的電源電路是DC-DC直流電壓轉換電路，其芯片是型號為AS1117-3. 3v的 D1直流電壓轉換芯片，它是把5v的直流電壓轉換為3. 3v的直流電壓的DC-DC轉換芯片。
[0008] 5,所說的單片機是C8051F380芯片。
[0009] 6,所述的底座上的接插件有為電磁鐵供電的紅黑香蕉插孔和5v直流電源插孔。
[0010] 7,所說的底座上設有調節水平度的水平儀和位于底座四角的四個調節旋鈕。
[0011] 8,所說的外接的主控板盒上的接口有P1、P2、和P3、P4四個，接口 P1和P2是與紅 外接收板的接口 P67、P65相對接；接口 P3、P4則與紅外發射板的接口 P67、P68相對接，紅 外接收板的接口 P68是與紅外接收板的接口 P65相對接；紅外發射板的接口 P66是與紅外 發射板的接口 P67相對接。
[0012] 本實用新型的方案完全變更和優化了實驗的方法，使【背景技術】中描述的傳統的繁 瑣的實驗步驟全部被省略。這種實驗儀器能給出可即時顯示給學生看到的小球運動即時發 生的完整平拋運動的軌跡曲線。并且這條鋼球運動所得到的曲線能被儲存紀錄下來，以供 作為實驗文檔之用，它可重復顯示和打印。同時解決實驗過程中的繁復操作，也省略了第二 鋼球這樣的機械結構。從而，為教學用的平拋實驗儀提供了一種升級了的新產品，即，二維 平拋實驗儀。
[【專利附圖】

【附圖說明】]
[0013] 圖1為本實用新型實施例的電路的系統框圖。
[0014] 圖2為本實用新型實施例的系統的外接電源接口。
[0015] 圖3為本實用新型實施例的DC-DC電源電路。
[0016] 圖4為本實用新型實施例的單片機的引腳定義圖。
[0017] 圖5為本實用新型實施例的單片機晶振電路。
[0018] 圖6為本實用新型實施例的單片機燒錄接口。
[0019] 圖7為本實用新型實施例的存儲模塊電路圖。
[0020] 圖8為本實用新型實施例主控板與兩個紅外發射板的2個連接接口。
[0021] 圖9為本實用新型實施例主控板與兩個紅外接收板的2個連接接口。
[0022] 圖10為本實用新型實施例中的紅外發射板的左偵彳、上側入口接口。
[0023] 圖11為本實用新型實施例中紅外發射管的紅外線發射電路。
[0024] 圖12為本實用新型實施例中具有信號整形功能的74HC14芯片。
[0025] 圖13為本實用新型實施例紅外發射板左側、上側級聯接口，用于連接下一塊板子 的相應接口。
[0026] 圖14為本實用新型實施例的紅外接收板下側、右側入口接口。
[0027] 圖15為本實用新型實施例的紅外接收管紅外信號接收電路。
[0028] 圖16為本實用新型實施例級聯芯片74HC595數據輸出信號.引腳圖。
[0029] 圖17為本實用新型實施例紅外接收板整形電路。
[0030] 圖18為本實用新型實施例紅外接收板下側級聯接口和右側級聯接口。
[0031] 圖19為本實用新型實施例主控板連接電腦接口。
[0032] 圖20為本實用新型實施例主控板與儀器主體上的電路的接口連接圖。
[0033] 圖21為本實用新型實施例的機械立體圖。
[0034] 圖22為本實用新型實施例的機械圖的后視立體圖。
[【具體實施方式】]
[0035] 本實用新型的二維平拋實驗儀包括機械和電子兩部分組成。整體支架外還有一個 外接的盒體。
[0036] 本實用新型的電子電路布置如下：電路的中央核心部分是單片機，它的型號是 C8051F380,周邊電路有DC-DC電源電路，存儲模塊，橫向紅外發射電路模塊，橫向紅外接收 模塊，縱向紅外發射模塊，縱向紅外接收模塊。這種由縱向紅外發射和接收模塊構成垂直的 Y軸坐標由橫向紅外發射電路模塊和接收模塊構成的水平X軸坐標，這樣所形成的電子傳 感坐標系就是本實用新型的主要特點。這一電子傳感坐標系構成的主要內容在于電子電 路的結構。下面先介紹電子電路部分，機械部分居后介紹。
[0037] 圖1為二維平拋實驗儀電路的系統框圖：它包含有居核心部位的單片機芯片4,其 周邊電路有外接電源1、電源電路2、橫向紅外接收模塊5、縱向紅外接收模塊7、縱向紅外發 射模塊9、橫向紅外發射模塊8、存儲模塊6、和電腦軟件3。
[0038] 圖2為圖1電路系統總圖與外接電源相連接的電源連接口 10,外接直流的5v電源 是用來為二維平拋實驗儀提供電源的。
[0039] 圖3為DC-DC電源電路：此電路的功能是把外接電源的直流5v電源轉換成為單片 機4供電的3. 3v直流電源。D1芯片11的型號是AS1117-3. 3v是DC-DC轉換芯片，它把5v 的直流電壓轉換為3. 3v的直流電壓。
[0040] 圖4為單片機4的引腳定義圖。
[0041] 單片機引腳定義如下：
[0042] SCL，SDA :存儲芯片控制信號。
[0043] 595EN，C_595EN :74HC595 芯片片選信號。
[0044] SFT_CLK，C_SFT_CLK :74HC595 芯片移位時鐘信號。
[0045] LCH_CLK，C_LCH_CLK :74HC595 芯片信號輸出時鐘信號。
[0046] DAT，C_DAT :74HC595芯片數據輸入信號。
[0047] SIG_0UT，SIG_0UT_2 :紅外接收總線信號。
[0048] USB_D+，USB_D-:單片機USB接口數據線，連接電腦USB接口。
[0049] RST，P20單片機復位信號和程序燒錄控制線。
[0050] XTAL1，XTAL2晶振信號輸入。
[0051] 圖5是單片機晶振電路。在此電路中Y1晶振元件12的XTAL1，XTAL2分別連接到 單片機4的XTAL1，XTAL2引腳上。XTAL1，XTAL2為單片機4提供12MHz的振蕩頻率。
[0052] 圖6是單片機燒錄接口 13,其RST，P20兩個信號線是連接單片機4的RST，P20引 腳的。
[0053] 圖7為存儲模塊電路圖，SCL，SDA兩個信號線連接到單片機4的SCL，SDA引腳。 U1單元芯片14是型號為AT24C02集成塊，它是EEPR0M性質的集成塊，它用于存儲系統實驗 數據。
[0054] 圖8為主控板與紅外發射板的2個連接接口。P3接口 15中信號C_595EN，C_SFT_ CLK，C_LCH_CLK，C_DAT，分別連接到單片機 4 中的 C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT 引腳。P4接口 16中信號595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分別連接單片機4的595EN，SFT_ CLK，LCH_CLK，DAT 引腳。
[0055] 圖9為主控板與紅外接收板的2個連接接口。圖9中PI接口 17中信號C_595EN， C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT，SIG_0UT_2 分別連接到單片機 4 的 C_595EN，C_SFT_CLK，C_ LCH_CLK，C_DAT，SIG_0UT_2 引腳。P2 接口 18 中信號 595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT，SIG_ OUT 分別連接單片機 4 的 595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT，SIG_0UT 引腳。
[0056] 圖10為本實用新型實施例中的紅外發射板的入口接口。P67接口 19中595EN， SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分別連接到發射板上的圖11中U1單元21的74HC595 芯片的595EN， SFT_CLK，LCH_CLK，DAT 引腳。P68 接口 20 中 595EN_2, SFT_CLK_2, LCH_CLK_2, DAT_2 分別 連接到圖 12 中的 Ull 單元 27 的 74HC14 的 595EN_2，SFT_CLK_2，LCH_CLK_2，U12 單元 28 的 74HC14芯片的DAT_2引腳。
[0057] 圖11為紅外發射管發射電路。紅外發射板共有兩塊，這兩塊條形板上的電路布置 是一樣的。第一塊是堅直布置的紅外發射條形板49,其上有7塊74HC595芯片和54個紅外 發射管電路和4塊74HC14信號整形芯片。而第二塊是水平布置的紅外發射條形板50,其上 共有5塊74HC595芯片和4塊74HC14信號整形芯片，以及還有40個紅外發射管電路。
[0058] 在該電路中，每一塊74HC595芯片是與八組由三極管、電阻、紅外發射管組成的線 路單元相連的，本電路顯示的就是這樣的情況。紅外發射條形板49上共有7個74HC595芯 片；而紅外發射條形板50上共有5個74HC595芯片。
[0059] 芯片74HC595上的595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分別連接到圖10中紅外發射管 入口中的 P67 接口 19 中信號 595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT。
[0060] 芯片 U1 單元 21 的 74HC595 上的 LED1，LED2, LED3, LED4, LED5, LED6, LED7, LED8 分別連接紅外發射管電路的電阻R5, R6, R13, R14, R7, R8, R15, R16。此電路圖為整體電路 中許多相似電路的一個代表性的部分。
[0061] 在上側紅外發射管電路板50中，有5個74HC595芯片，40個紅外發射管電路。在 左側紅外發射管電路板49中有7個74HC595芯片，54個紅外發射管電路。
[0062] 由信號控制線 SFT_CLK，LCH_CLK，595EN，DAT 控制芯片 74HC595 芯片 21，使 LED1 輸出高低電平完成對紅外發射管23的控制，以此類推，LED2, LED3, LED4, LED5, LED6, LED7， LED8分別控制各自相應的相似電路塊。
[0063] Q1三極管22的集電極通過電阻R1連接到5V電源，當LED1高電平時，Q1三極管 22導通，此時紅外發射管P1接口 23發光。當LED1低電平時，Q1三極管22截止，此時紅外 發射管P1接口 23熄滅。以此類推，信號LED2控制接口 P2, LED3控制接口 P3, LED4控制接 口 P4，LED5控制接口 P5，LED6控制接口 P6，LED7控制接口 P7，LED8控制接口 P8。芯片21 的74HC595中的信號SD01，用來級聯下一塊74HC595芯片24的輸入端SD01。
[0064] 圖12為紅外發射板中具有信號整形功能的74HC14芯片電路。
[0065] 紅外發射條形板28、和紅外發射條形板38上各自有四片信號整形電路芯片 74HC14。
[0066]其中：U2 單元 25 的 74HC14 中 595EN，LCH_CLK，SFT_CLK，U12 單元 28 的 74HC14 中 DAT_2, U11 單元 27 的 74HC14 中 SFT_CLK_2, LCH_CLK_2,595EN_2 分別連接圖 10 中的紅外 發射管輸入P67接口 19, P68接口 20中的相應引腳。
[0067] U4單元26的74HC14的SD0UT引腳連接圖16中U5單元39的74HC595中的SD0UT 引腳。
[0068] U2 單元 25 中信號 C_595EN，C_LCH_CLK，C_SFT_CLK，U4 單元 26 中信號 C_SD0UT， U11 單元 27 中信號 SFT_CLK_20UT，LCH_CLK_20UT，595EN_20UT，U12 單元 28 中 DAT_20UT 分 別連接到圖13紅外發射級聯接口上的P65接口 29中的C_595EN，C_LCH_CLK，C_SFT_CLK， C_SD0UT 信號，P66 接口 30 中 SFT_CLK_20UT，LCH_CLK_20UT，595EN_20UT，DAT_20UT。
[0069] 紅外發射板信號整形電路的工作如下：圖12中，
[0070] 輸入信號SFT_CLK經過U2單元的74HC14芯片25的1腳輸入，經過U2單元的 74HC14芯片25的非門電路的輸出的2腳，連接U2單元的74HC14芯片25輸入端3腳，再次 經過U2單元的74HC14芯片25的非門電路，輸出信號C_SFT_CLK是輸入信號SFT_CLK經過 了兩次U2單元的74HC14芯片25的非門電路，仍保持原來信號SFT_CLK的電平信號。
[0071] 以此類推，輸入信號595EN經過兩次信號整形電路74HC14芯片25,輸出信號為 C_595EN。輸入信號LCH_CLK經過兩次信號整形電路的74HC14芯片25,輸出信號為C_ LCH_CLK。輸入信號SD0UT，經過兩次信號整形U4單元的74HC14芯片26,輸出信號為C_ SD0UT。輸入信號SFT_CLK_2經過兩次信號整形單元U11的74HC14芯片27,輸出信號為 SFT_CLK_20UT。輸入信號LCH_CLK_2經過兩次信號整形單元U11，的74HC14芯片27,輸出 信號為LCH_CLK_20UT。輸入信號595EN_2經過兩次信號整形芯片U11的74HC14芯片27輸 出信號為595EN_20UT。輸入信號DAT_2經過兩次信號整形單元U12的74HC14芯片28,輸 出信號為DAT_20UT。
[0072] 圖13為紅外發射板左側上側級聯接口，用于連接下一塊板子上的相應接口。P65 接口 29 中 C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_SD0UT，P66 接口 30 中 595EN_20UT，SFT_ CLK_20UT，LCH_CLK_20UT，DAT_20UT 分別連接圖 12 中 U2 單元 25, U4 單元 26, Ull 單元 27， U12單元28等74HC14的相應引腳。
[0073] 圖14為紅外接收板下側、右側入口接口。P65接口 31中信號595EN，SFT_CLK，LCH_ CLK，DAT分別連接圖15中U1單元33的74HC595芯片的相應引腳，SIG_0UT為紅外接收下 側總線信號它連接每個單獨紅外接收管的信號輸出。P67接口 32中C_595EN，C_SFT_CLK， C_LCH_CLK，C_DAT分別連接圖17中U13單元40, U10單元41，U12單元42,芯片74HC14等 信號整形電路相應引腳。SIG_0UT_2為紅外接收板右側總線連接圖17中U12單元42芯片 74HC14的相應引腳。
[0074] 圖15為紅外接收管電路。
[0075] 紅外接收板共有兩塊，這兩塊條形板上的電路布置是一樣的。第一塊是堅直布置 的紅外接收條形板51，其上有7塊74HC595芯片和54個紅外接收管電路和3塊74HC14信 號整形芯片。而第二塊是水平布置的紅外接收條形板52,其上共有5塊74HC595芯片和3 塊74HC14信號整形芯片，以及還有40個紅外接收管電路。
[0076] 74HC595 芯片上的 LED1，LED2, LED3, LED4, LED5, LED6, LED7, LED8 分別連接二極 管D9，D10，D11，D12，D7，D8，D21，D22。U1單元33的74HC595 芯片的 595EN，SFT_CLK，LCH_ CLK，DAT分別連接圖14中的P65接口 31的相應引腳。此電路圖為整體電路的一部分，在 下側紅外接收管電路板中，有5個74HC595芯片，所以電路中有5個相似部分。
[0077] 在右側紅外接收管電路板51中有7個74HC595芯片，54個紅外接收管電路。圖15 中，由信號控制線SFT_CLK，LCH_CLK，595EN，DAT，控制芯片74HC595 芯片33，使LED1，LED2， LED3, LED4, LED5, LED6, LED7, LED8輸出高低電平。紅外接收三極管P3接口 34通過電阻 R17連接到5V，當有紅外光照射到紅外接收三極管P3接口 34時，紅外接收三極管P3接口 34導通，D3二極管36負極信號為低電平。此時如果D9二極管35的負極信號LED1為高電 平時，D3二極管36正極為低電平，此時Q3三極管37截止，Q3三極管37的集電極連接電阻 R3到5V，輸出總線SIG_0UT為高電平。當實驗時的鋼球54滾動時，它會不斷擋住坐標系里 的紅外光時，紅外接收三極管P3接口 34截止，D3二極管36負極信號為高電平，此時如果 D9二極管35的負極信號LED1為高電平時，D3二極管36正極為高電平，此時Q3三極管37 導通，Q3三極管37的集電極連接電阻R3到5V，輸出總線SIG_0UT為低電平。此外如果D9 二極管35的負極信號LED1為低電平時即此路紅外接收三極管沒有被選中，D3二極管36 正極為低電平，Q3三極管37截止，輸出總線SIG_0UT為高電平。以此類推其他的紅外接收 三極管電路的輸出信號都連接到信號總線SIG_0UT上，并通過信號的選擇，以及總線上的 高低電平來判斷某個紅外接收管是否有物體遮擋。74HC595芯片33上的信號SD01連接到 74HC595芯片38上的信號輸入SD01上。
[0078] 圖16為級聯芯片74HC595數據輸出信號。
[0079] 表示在紅外發射板和紅外接收板中共有的級聯芯片74HC595數字信號級聯輸出 信號。
[0080] 圖中SD0UT在紅外發射板中連接到圖12中U4單元26的74HC14芯片的相應引腳。
[0081] 圖中SD0UT在紅外接收板中連接到圖17中U12單元42的74HC14芯片的相應引 腳。
[0082] 圖17為紅外接收板信號整形電路，
[0083] U13 單元 40 中 74HC14 中 C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，U10 (41)中 595EN，SFT_ CLK，LCH_CLK，U12 (42)中 C_DAT，SIG_0UT，SIG_0UT_2 分別連接紅外接收板 P65 接口 31，紅 外接收板P67接口 32的相應引腳。U12單元42的74HC14芯片的SD0UT連接到圖16中U5 單元39的74HC595芯片的SD0UT腳。Q65三極管43的基極信號R_SIG_0UT，Q66三極管44 的基極信號R_SIG_0UT_2分別連接到紅外接收板圖18中P68接口 46級聯接口的相應引腳 U12單元42的74HC14芯片中R_SIG，R_SIG2連接到Q65三極管31，Q67三極管32的發射 極。
[0084] 紅外接收板信號整形電路的工作如下：圖17中，輸入信號C_SFT_CLK經過U13單 元的74HC14芯片40的1腳輸入，經過U13單元的74HC14芯片40的非門電路，輸出的2腳 連接U13單元的74HC14芯片40輸入端3腳，再次經過U13單元的74HC14芯片40的非門 電路，輸出信號R_SFT_CLK是輸入信號C_SFT_CLK經過了兩次U13單元的74HC14芯片40 的非門電路，仍保持原來信號C_SFT_CLK的電平信號。
[0085] 以此類推，輸入信號C_LCH_CLK，經過兩次U13單元的74HC14芯片40,輸出信號R_ LCH_CLK_2。輸入信號C_595EN，經過兩次U13單元的74HC14芯片40,輸出信號R_595EN_2。 輸入信號SFT_CLK，經過兩次U10單元的74HC14芯片41，輸出信號R_SFT_CLK。輸入信號 LCH_CLK，經過兩次U10單元的74HC14芯片41，輸出信號R_LCH_CLK。輸入信號595EN，經過 兩次U10單元的74HC14芯片41，輸出信號R_595EN。輸入信號SD0UT，經過兩次U12單元 的74HC14芯片42,輸出信號R_SDOUT。輸入信號C_DAT，經過兩次U12單元的74HC14芯片 42,輸出信號R_DAT2。當總線信號R_SIG_OUT高電平時，Q65三極管43導通，信號R_SIG2 為低電平，R_SIG2連接74HC14芯片42的11腳輸入，經過非門后，輸出信號SIG_OUT為高 電平。總線信號R_SIG_OUT低電平時，Q65三極管43截止，信號R_SIG2為高電平，R_SIG2 連接74HC14芯片42的11腳輸入，經過非門后，輸出信號SIG_OUT為低電平。初始信號R_ SIG_OUT與輸出信號SIG_OUT電平保持一致。以此類推，輸入總線信號R_SIG_0UT_2，經過 信號整形電路后，輸出信號為SIG_0UT_2。
[0086] 圖18為紅外接收板下側連接口和右側級連接口。其中P66接口 45中信號 R_595EN，R_SFT_CLK，R_LCH_CLK，R_SD0UT，P68 接口 46 的 R_595EN_2, R_SFT_CLK_2, R_LCH_ CLK_2，R_DAT2分別連接到圖17中U13單元40，U10單元41，U12單元42的74HC14芯片的 相應引腳。R_SIG_0UT，R_SIG_0UT_2分別連接到信號整形電路的R268, R270端。
[0087] 圖19為單片機4與電腦連接接口。J2接口 47用來連接單片機4的引腳與電腦 USB信號接口。
[0088] 圖20為與儀器主體分接的主控板與儀器主體上的電路接口的連接圖。傳感器主 控板盒48上的接口有P1、P2、和P3、P4四個，其中傳感器主控板盒48的接口 P1和P2是與 規格為28的紅外接收板52的接口 P67、P65相對接；而傳感器主控板盒48的接口 P3、P4 則與規格為38的紅外發射板49的接口 P67、P68相對接。28紅外接收板52的接口 P68是 與規格為38的紅外接收板51的接口 P65相對接；規格為38的紅外發射板49的接口 P66 是與規格為28的紅外發射板50的接口 P67相對接。
[0089] 規格為28的發射板50上主要有40個紅外發射管，5片74HC595芯片，4片74HC14 芯片。規格為28的接收板52上主要有40個紅外接收管，5片74HC595芯片，3片74HC14芯 片。規格為38的發射板49上主要有54個紅外發射管，7片74HC595芯片，4片74HC14芯 片。規格為38的接收板51上主要有54個紅外接收管，7片74HC595芯片，3片74HC14芯 片。
[0090] 本實用新型的機械結構如下：
[0091] 圖21所示，本實用新型的二維平拋運動實驗儀，包含有垂直直立的主體支撐板 53,水平布置的底座54,位于主體支撐板53頂端一角嶼位置上的滑動導軌55上固定有一電 磁鐵56,它用于吸住或釋放鋼質小球57。在主體支撐板53的左側邊沿和右側邊沿上固定 有面面相對的兩條堅直布置的紅外發射條形板49和紅外接收條形板51。而在主體支撐板 53的頂端邊沿和底端邊沿分別設置有水平布置的紅外發射條形板50和紅外接收板52。
[0092] 上紅外發射條形板50固定有40個紅外線發射管，有5個控制芯片74HC595門電 路集成塊；左紅外發射板49上固定有54個紅外線發射管和7個74HC595門電路集成塊，還 帶有信號整形功能的74HC14門電路集成塊。
[0093] 而在下紅外接收條形板52上則分別固定有40個紅外接收管，5個74HC595門電路 集成塊；在右紅外接收條形板51上布置有54個紅外接收管和7個74HC595門電路集成塊。 它們有1條紅外接受電路的sigout總線，還帶有信號整形功能的74HC14門電路集成塊。
[0094] 居上的紅外發射板50發出的垂直方向朝下的紅外線被在下的紅外接收板52所接 收；左側的紅外發射板49發出的水平紅外線被右側的紅外接收板51所接收，這樣，就在主 體支撐板53上它們構成一個由垂直正交的紅外射線交織而成的紅外射線坐標，即構成二 維傳感器的傳感區域。實驗時處于平拋運動中的鋼珠57就是借助于該坐標系形成可視的 平拋運動曲線的。這是本實用新型的一個主要的特點。
[0095] 圖22顯示了在底座54的后側立面上設有為電磁鐵56供電用的紅黑香蕉插孔56， 和一個電源開關57,以及一個為整臺儀器供電的5伏直流電源插孔58。底座54上四個角 隅上設有四個調節水平度的旋輪60。底座54上布置有調節用的水平儀61，因為在使用時， 底座54須保持水平，而主體支撐板53則須保持垂直。
[0096] 有一個傳感器主控板盒48,它是一個外掛的方形的盒體，其內包含有控制整個系 統運行的單片機芯片4,其型號為C8051F380,還有電源輸入接口 10和電源電路11，以及型 號為AT24C02的存儲模塊14,還有與電腦通訊用的USB接口 47,以及與兩塊紅外發射管條 形板通訊用的兩個接口 15和16(見圖8)，與兩塊紅外接收管條形板通訊用的兩個接口 17 和18 (見圖9)。在做實驗時，要將電腦通過USB接口 47與本實用新型的二維平拋儀相連 接。打開電腦里的相應的實驗程序，點擊軟件中開始數據采集的按鈕，開始紀錄實驗的全過 程。即，人工操作電磁鐵56釋放鋼珠57,在小球通過二維傳感器的傳感區域時，其運動軌跡 就被自動紀錄下來。對紀錄下來的軌跡數據進行分析，驗證了垂直方向的運動符合自由落 體的運動規律，而水平方向的運動符合勻速直線運動的規律。
[0097] 說明書實施例中所有接口 一覽表：
[0098] 圖2 J310電源連接口
[0099] 圖6 J113單片機燒錄接口
[0100] 圖19 J247單片機與電腦連接接口
[0101] 圖 8 P3 是接口 15 P4 是接口 16
[0102] 圖 9 P1 是接口 17 P2 是接口 18
[0103] 圖 10 P67 是接口 19 P68 是接口 20
[0104] 圖 13 P65 是接口 29 P66 是接口 30
[0105] 圖 14 P65 是接口 31 P67 是接口 32
[0106] 圖 18 P66 是接口 45 P68 是接口 46
[〇1〇7] 本實用新型的二維平拋實驗儀的發明保護范圍不受實施例電子傳感坐標之縱橫 尺寸的限制，如若出現僅僅將縱橫坐標的尺寸加以改變，即，將附加在紅外發射條形板和紅 外接收條形板上的發射管和接收管的數目增減以達到改變坐標面的長短尺寸；或把外接的 傳感器主控盒48取消，而把其內的電子電路移植到主體上的任何其他部位，這樣的改變仍 屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種二維平拋實驗儀，它由機械部分結構和電子電路兩大部分構成，機械部分包含 有垂直直立的主體支撐板（53)，水平布置的底座（54)，位于主體支撐板（53)頂端一角嶼 位置上的滑動導軌（55)，滑動導軌（55)上固定有用于吸住或釋放鋼質小球（57)的一個 電磁鐵（56)，其特征是：機械部分：在主體支撐板（53)的左側邊沿和右側邊沿上固定有面 面相對的兩條堅直布置的紅外發射條形板（49)和紅外接收條形板（51);而在主體支撐板 (53)的頂端邊沿和底端邊沿分別設置有水平布置的紅外發射條形板（50)和紅外接收條 形板（52)，它們構成一個由垂直正交的紅外射線交織而成的紅外射線坐標；水平布置的底 座（54)上有電源開關￠2)和接插件；電子電路部分包含有：居核心部位的單片機（4)，其 周邊電路有外接電源（1)、電源電路（2)、橫向紅外接收模塊（5)、縱向紅外接收模塊（7)、 縱向紅外發射模塊（9)、橫向紅外發射模塊（8)、存儲模塊￠)、和電腦軟件（3)以及一個主 控板盒（48)，所說的縱向紅外發射模塊（9)就是堅直布置的紅外發射條形板（49)，所說的 橫向紅外發射模塊（8)就是水平布置的紅外發射條形板（50)，兩者分別包含有級聯芯片 74HC595、74HC14數字信號整形芯片、和紅外發射管電路；所述的縱向紅外接收模塊（7)就 是堅直布置的紅外接收條形板（51)，所說的橫向紅外接收模塊（5)是水平布置的紅外接收 條形板（52)，兩者分別包含有級聯芯片74HC595、數字信號整形芯片74HC14、和紅外接收管 電路。
2. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：所說的主控板盒（48)是一個外接 的主控板盒（48)，其內包含有控制整個系統運行的單片機芯片（4)，電源輸入接口（10)，電 源電路（11)，存儲模塊（14)，與電腦通訊用的USB接口（47)，紅外發射管左側入口（15)，紅 外發射管上側入口（16)，紅外接收管右側入口（17)，紅外接收管下側入口（18)。
3. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：所說的存儲模塊是型號為AT24C02 的存儲模塊（14)。
4. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：所說的電源電路（2)是DC-DC直 流電壓轉換電路，其芯片是型號為AS1117-3. 3v的D1直流電壓轉換芯片（11)，它是把5v的 直流電壓轉換為3. 3v的直流電壓的DC-DC轉換芯片。
5. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：所說的單片機（4)是C8051F380芯 片。
6. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：底座（54)上的接插件有，為電磁 鐵（56)供電的紅黑香蕉插孔（59)和5v直流電源插孔（58)。
7. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：所說的底座（54)上設有調節水平 度的水平儀（61)和位于底座（54)四角的四個調節旋鈕（60)。
8. 如權利要求1所述的二維平拋實驗儀，其特征是：所說的外接的主控板盒（48)上的 接口有P1、P2、和P3、P4四個，接口 P1和P2是與紅外接收板（52)的接口 P67、P65相對接； 接口 P3、P4則與紅外發射板（49)的接口 P67、P68相對接，紅外接收板（52)的接口 P68是 與紅外接收板（51)的接口 P65相對接；紅外發射板（49)的接口 P66是與紅外發射板（50) 的接口 P67相對接。
【文檔編號】G09B23/10GK203895004SQ201320777933
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】陳強, 周彬, 李仙海, 楊磊 申請人:上海數好數字信息科技有限公司