基于STM32多功能运动合成与分解演示仪的研制

列晓东，梁淑媚，吴先球

（华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州510006）

1 引 言

运动的合成与分解，是学生处理曲线运动的基本方法，也是学生学完牛顿定律后遇到的第二个力学难点.目前关于运动合成与分解的演示仪中，有些仪器是利用蜡块或者浮球在玻璃管水中做竖直运动，然后整个装置做水平运动来演示2个运动的合成［1］；而有些则搭建传动机构，用手作为动力源，使物体分别做2个方向的运动［2-3］.这些装置都基本能达到演示效果，但作为课堂演示实验，还存在以下几个不足：1）操作者对“匀速”的手动控制并不稳定；2）不能实时描绘出合运动轨迹；3）2个运动的速度的选择性较单一.笔者基于STM32单片机研制了多功能运动合成分解演示仪.本装置结合直流电机转速稳定的特点，利用单片机实现对直流电机的转速进行控制，同时运动方向可任意调整，实现了多种演示方案.

2 仪器的设计

仪器的系统框图如图1所示.STM32单片机根据键盘输入，产生2路PWN控制信号，经过L298N直流电机驱动电路，产生不同的电压值，从而实现控制直流电机的转速的效果.本装置选择的是额定电压为12V，转速为82r／min，负载时的扭矩为0.28N·m的直流电机.其特点是转速稳定，扭矩大，满足实验要求.

图1 系统框图

图2 装置结构图

仪器的装置结构如图2所示.在木制底座上安装1对抽屉滑轨，然后用自行车撑伞架上卸下来的“摇摆型”装置将2根滑轨安装在一起，构成“L”字型支架.滑轨上贴传动皮带，两滑轨的起始端上分别安装了带有同步齿轮的直流电机.滑轨A末端安装可以固定白板笔的装置，它是由1块直角铁和煤气管套圈焊接而成.白板笔盖上粘1个乒乓球，代表运动的物体.在白板笔下装有1块有机玻璃板，玻璃板下方贴方格纸.这样，直流电机1控制白板笔做上下运动，直流电机2控制滑轨A做左右运动，白板笔可画出合运动轨迹.

3 使用方法

仪器的控制面板如图3所示.第1行和第2行分别负责设定2个电机的转速情况.其中v是指转速的大小，a是指加速的程度，各有慢和快两级.2个电机虽然只有4种转动状态，但组合起来有16种合成情况，足以满足课堂演示的需要.另外，面板当中的“M”是指“运动”，“S”是指“停止”，“B”是指“复位”.

图3 控制面板图

演示前，首先分别设定X，Y轴上的运动状态，然后按“X＿M”键或“Y＿M”键单独启动其中1个电机，电机会根据设定的状态转动.通过观察乒乓球的运动情况，让学生对本装置2个轨道能独立运动有直观认识.然后按“X＿B”键和“Y＿B”键使乒乓球复位到起点O；最后按“M”键同时启动两轴上的直流电机转动，白板笔实时地画出了合运动的轨迹.在白板笔画合运动轨迹过程中，可让学生注意感受2轴上分运动状态.

4 演示效果

通过改变X，Y轴上的电机转动状态，可以画出不同的合运动轨迹.图4（a）中显示了3种物体在2个不同匀速运动状态下的合成情况；图4（b）中显示了3种1个方向做匀速运动和1个做加速运动时的合成情况.同时，通过调角旋钮，还可以演示不同夹角时的合成情况.限于篇幅，这里不再展开描述.

图4 装置演示效果

5 实验拓展

本装置取材容易，结构简单，操作方便，适用于课堂做演示实验.《新课程标准》指出义务教育阶段的物理课程的基本理念要求是：从生活走向物理，从物理走向社会［5］.根据需要，将乒乓球改成小纸船，即可演示“小船渡河”等情景问题，图5所示的是当船速比水速大时，船速与水速的夹角分别为锐角、直角和钝角时的船行轨迹.本仪器可帮助学生更加直观地认识运动的合成与分解.

图5 船头不同朝向时的合运动轨迹

由于直流电机带负载时转速与加在它两端的电压并不是严格的线性关系，因此目前实现的只是加速运动.如果要精确地做到匀加速直线运动，则要使用步进电机.然而，一般的步进电机扭矩较小，而扭矩大的本身质量也大，造成推动装置移动时阻力较大.因此在以后的研发中，可选择一些轻质的滑轨，或者扭矩大但是本身质量小的步进电机.

［1］韦金仕.运动合成与分解演示实验设计［J］.基础教育研究，2011（6A）：49-51.

［2］陈锦铎.关于运动合成与分解实验的方案［J］.中学物理，2010，28（15）：32-33.

［3］王会霞.运动的合成与分解演示仪制作初探［J］.中国现代教育装备，2007（1）：82，85.

［4］王世谊.运动合成演示仪［J］.物理实验，1982，2（1）：29-30.

［5］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）［M］.北京：人民教育出版社，2003.