基于单片机和VB的动态力学演示仪

2018-03-26袁敏徐锐

求知导刊 2017年34期

关键词：单片机

袁敏徐锐

关键词：单片机;VB;力学演示

中图分类号：TP212;G633.7

文献标识码：A

超重失重和冲击现象是在学习加速度和冲量问题时必然涉及的基本的力学现象。对这部分知识的教学通常采取讲授的方式，由于缺少合适的演示仪器，学生较难对这些现象形成直观的认识。

笔者设计了一种基于VB和Excel软件的力学演示仪，可以通过压力或加速度随时间的变化关系生动直观地演示此类力学现象。单片机系统和VB软件用来实现压电信号的采集和物体实时受力曲线的显示。再通过Excel软件进行数据的处理，可以进一步给出物体运动过程中的加速度变化。

一、压力、加速度求解的基本原理

本实验采用高精度的电路和力敏传感器。把待研究物体置于力敏传感器上，传感器的输出电压U与所受压力F成正比，即

U=KF （1）

其中K为二者的比例系数，被称为传感器的比例系数[1]。当物体运动时，压力传感器的电压信号U会发生变化，从VB窗口中可以读出实时的电压U，根据（1）式可求出压力F。而对于待测物体，其所受合外力满足

ma=F-mg （2）

根据（2）式可求出物体实时加速度a。

二、系统硬件电路

系统硬件电路主要包括：硬件采集及上传部分、单片机部分和串行通讯部分等。

1.电压力采集及放大部分

我们选用了电子秤的压力传感器，将微弱的电压力信号引出后，经过二级运算放大电路放大3000倍左右，达到0.1V的数量级。并采用小电容滤去杂波信号，减小采集连续变化电压信号时的失真。

2.单片机部分

我们用的单片机是新华龙单片机C8051系列的C8051F330[2]。电路图如图1。该种型号的单片机自带模数转换模块。P1.0作为接收放大后的电压信号的端口，P0.4，P0.5作为串行通讯端口。

3.串行通讯部分

此部分采用的MAX3232芯片。此芯片性能稳定，电路成熟。将此部分通过USB转串口接线，就可以实现计算机对单片机的控制与二者的数据交换。

三、软件部分

软件部分主要包括单片机、C语言编程、VB程序、Excel公式的编写。

1.VB程序

我们通过VB软件下达上传数据的指令，通过串行通讯电路给单片机;单片机收到指令后按通讯协议将数据包通过串行通讯电路上传给VB软件。并用PSset控件画出实时的电压U的图像。由于U和物体受压力F成正比，所以U的变化规律和F的变化规律相同。物体静止时，U（或F）曲线水平;物体超重运动或受到冲击时，U（或F）曲线上升;物体失重时，U（或F）曲线下降，如图2所示。

2.Excel程序

Excel用来处理数据。在VB软件中，我们加入鼠标跟随功能，每个数据点的数值，都可以在窗口中读出来。VB窗口的数值与电压U成正比，电压U又与压力F成正比。每次实验前我们均可以用标准质量的物体进行定标。从而利用压力、加速度与电压的关系算出压力F和加速度a。在Excel表格编辑好公式后，每次仅需要输入在VB中读取的数据就可以得到F和a，简单方便。

四、实验演示与测量

1.超重失重和冲击现象的演示

超重失重的图像如图2，冲击现象的图像如图3。

2.压力F和加速度a的计算

输入实测的VB信号后，Excel得出了相应压力F和加速度a。如图4。

超重、失重和冲击现象本来是瞬时发生的现象，不易演示。但利用单片机可以极快地采集现象发生时的大量实时数据。该实验装置利用单片机采集数据，VB软件控制、保留数据和制图，Excel软件处理数据。通过实时的图像演示了超重、失重和冲击现象，根据这些数据同时还可以得出物体实时的受力和加速度。该实验装置简单便于操作，图像直觀生动，对力学部分的教学很有帮助。