一种基于单片机的力学实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及物理力学实验技术领域，尤其涉及一种基于单片机的力学实验装置。


背景技术：

2.现今中学在学习物理力学的时候，都会有相应的物理实验辅助学生更快的理解和学习物理力学。在实验中，我们通常需要用到一些仪器来完成实验。一个简单有趣的实验仪器不仅能够调动起老师的教学热情，更能让学生在做实验的过程中享受到做实验的乐趣。如在压力或拉力学习中，需要通过力学实验装置对压力或拉力在各种物理状态下的变化进行直观学习，由此需要对该压力或拉力进行测量。
3.在现有技术中，力学实验装置主要通过弹簧拉力器来测试物体受到的受力，无法数字化演示，趣味性较差。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的力学实验装置，以解决现有技术中存在的力学实验装置主要通过弹簧拉力器来测试物体受到的受力，无法数字化演示，趣味性较差的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
6.本实用新型提供的一种基于单片机的力学实验装置，包括力传感器、单片机和显示模块；所述单片机与所述力传感器、显示模块电连接；所述力传感器包括应变电阻片和悬臂梁，所述应变电阻片固定在所述悬臂梁两侧；所述悬臂梁与受力物体连接；所述受力物体受力时，所述悬臂梁、应变电阻片发生形变，带动所述力传感器输出的模拟电压信号同步变化；所述模拟电压信号经过放大和ad转换得到数字电压信号，并输入所述单片机，所述单片机对所述数字电压信号进行处理后，生成所述悬臂梁的受力数值；所述显示模块将所述受力数值进行显示。
7.优选的，所述应变电阻片包括四个可变电阻，并组成惠斯通电桥电路。
8.优选的，所述应变电阻片中的两个所述可变电阻固定在所述悬臂梁的一侧，另两个所述可变电阻固定在所述悬臂梁的另一侧。
9.优选的，所述应变电阻片与所述悬臂梁胶接固定，并通过胶进行密封。
10.优选的，所述悬臂梁的两端分别为受力端和固定端，所述受力端悬空，所述力的方向与所述受力端垂直，所述固定端与底板固定。
11.优选的，所述力学实验装置还包括语音模块，所述语音模块与所述单片机电连接，能够将所述受力数值转换为语音，并通过喇叭播报。
12.优选的，所述力学实验装置还包括报警模块，所述报警模块与所述单片机电连接并通过蜂鸣器报警。
13.优选的，所述力学实验装置还包括信号放大及ad转换电路，所述信号放大及ad转换电路与所述惠斯通电桥电路的输出端连接，所述模拟电压信号经过所述信号放大及ad转换电路得到数字电压信号。
14.优选的，所述单片机为stm系列或51系列单片机，所述信号放大及ad转换电路采用hx711芯片、ad7190芯片、ad7714芯片中的任意一种。
15.优选的，所述力传感器为压力传感器和/或拉力传感器。
16.实施本实用新型上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
17.本实用新型通过应变电阻片和悬臂梁的配合进行力的测量，应变电阻片在受力形变后产生的模拟电压信号，该信号经处理后传送给单片机，通过单片机将该信号处理转换成受力数值，并通过显示模块演示。不仅完成了传统实验装置对力的测量(如压力、拉力、重力等)，也增加了实验的趣味性和新颖性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
19.图1是本实用新型一种基于单片机的力学实验装置的实施例原理框图；
20.图2是本实用新型实施例的应变电阻片的固定示意图；
21.图3是本实用新型实施例的悬臂梁固定示意图；
22.图4是本实用新型实施例的应变电阻片连接示意图；
23.图5是本实用新型实施例的hx711芯片内部结构图；
24.图6是本实用新型实施例的hx711芯片ad转换模块电路图。
25.图中：1、应变电阻片；2、导线；3、悬臂梁；4、底板；5、连接件；6、螺钉。
具体实施方式
26.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本实用新型可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本实用新型的范围和实质。
27.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间
媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
29.实施例一：
30.如图1
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6所示，本实用新型提供了一种基于单片机的力学实验装置，包括力传感器、单片机和显示模块，单片机与力传感器、显示模块电连接，能够实现相互之间的数据和信号传输。力传感器用于感测力学实验中的压力、拉力、重力等，包括应变电阻片1和悬臂梁3，应变电阻片1固定在悬臂梁3两侧，悬臂梁3由力敏型材料制成，在较小的拉力或弹力作用下也产生较大的形变，便于测量相应的受力数值。悬臂梁3与受力物体连接，实现对受力物体的支撑固定。受力物体受力时，悬臂梁3、应变电阻片1发生形变，带动力传感器输出的模拟电压信号同步变化。模拟电压信号经过放大和ad转换得到数字电压信号，并输入单片机，单片机能够对该数字电压信号直接进行处理，单片机对数字电压信号进行处理后，生成悬臂梁3的受力数值，该受力数值即为力学实验测量的压力、拉力或重力数值。显示模块将受力数值进行显示。具体的，显示模块为液晶显示屏，型号采用 lcd1602，显示模块将单片机产生的受力数据传递给lcd1602液晶显示屏，并在lcd1602液晶显示屏上显示，能够直观的展示所测量的受力物体的受力大小。本实用新型通过应变电阻片1和悬臂梁3的配合进行力的测量，应变电阻片1在受力形变后产生相应的模拟电压信号，该信号处理后传送给单片机，单片机将该信号处理转换成受力数值，并通过显示模块演示。不仅完成了传统实验装置对压力和拉力的测量，也增加了实验的趣味性和新颖性。
31.作为可选的实施方式，如图4所示，应变电阻片1包括四个可变电阻，并组成惠斯通电桥电路。具体的，4片应变电阻片1组成惠斯通电桥电路，即全桥分压电路，当任何一个应变电阻片1受力发生变化，应变电阻片1的阻值变化并转为电压输出的变化，通过应变电阻片1能够把受力大小的物理量转变为电压输出量，通过测量输出电压的数值，再通过换算就能够得到所测量力的大小，可变电阻的初始阻值均优选为1k欧姆，阻值选择1k欧姆在阻值变化时便于进行计算。惠斯通电桥电路的e 和e
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通过导线2分别接激励电压的正极和负极， s 和s
‑
通过导线2分别电源电压的正极和负极。
32.作为可选的实施方式，如图2所示，应变电阻片1中的两个可变电阻(r1和r4)固定在悬臂梁3的一侧，另两个可变电阻(r2和 r3)固定在悬臂梁3的另一侧；具体的，应变电阻片1用粘贴的方式固定在悬臂梁3的上下两侧，应变电阻片1为薄片，通过胶水粘贴固定确保了与悬臂梁3一起在外力作用下产生形变，如在采集压力时，上侧的应变电阻片1受力拉伸，下侧的应变电阻片1受力伸缩。应变电阻片1通过胶进行密封；具体的，如通过热熔胶等进行密封，通过胶密封能够隔绝空气和应变电阻片1的接触，满足应变电阻片1对绝缘性的要求，减小外部因素对电阻的影响。
33.作为可选的实施方式，如图2
‑
3所示，悬臂梁3的两端分别为受力端和固定端，受力端悬空，固定端与底板4固定。受力端悬空使悬臂梁3产生形变时，悬臂梁3不会由于接触到底板4影响正常形变的发生，影响实验结果的准确性，不会产生测量误差。测量压力时，如图3所示固定即可，测试拉力时，可通过受力物体匀速运动时摩擦力与拉力相等的方式测量，
可将图3所示方向旋转90度进行固定，还可在悬臂梁3上设置用于固定拉力测试时细绳等的通孔。力的方向与受力端垂直，从而能够准确测量物体受到的相应压力或拉力，避免由于分力影响测量结果的准确性。固定端可通过螺钉6、连接件5等固定在底板4上，连接件6具有一定厚度，实现悬臂梁3受力端的悬空，以及力传感器的整体固定。
34.作为可选的实施方式，力学实验装置还包括语音模块，语音模块与单片机电连接，能够将受力数值转换为语音，并通过喇叭播报。具体的，单片机生成的受力数值为文字信号，通过语音模块转换成语音，喇叭把转换的语音播报出来，语言模块播报实验结果进一步提升了装置的趣味性。
35.作为可选的实施方式，力学实验装置还包括报警模块，报警模块与单片机电连接并通过蜂鸣器报警。具体的，蜂鸣器采用dc5v有源蜂鸣器，当单片机检测到受力超限(具体数值由悬臂梁3和应变电阻片1确定，可根据不同装置进行个性化设定)会触发蜂鸣器，从而保护力传感器。如图1所示，本实验装置供电系统采用直流供电，优选 19v直接供电机，同时通过dc
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dc模块转换为5v提供给单片机。电机可通过滚珠丝杠等机构产生拉力或压力，并作用于力传感器，便于产生均匀的力输出。
36.作为可选的实施方式，力学实验装置还包括控制按键，控制按键用于打开或关闭语音播报和电机，实现本装置更多样的功能。
37.作为可选的实施方式，如图1所示，力学实验装置还包括信号放大及ad转换电路，信号放大及ad转换电路与惠斯通电桥电路的输出端连接，从而惠斯通电桥电路将电压变化的模拟电压信号输入信号放大及ad转换电路，模拟电压信号经过信号放大及ad转换电路得到数字电压信号，单片机接收到该数字电压信号后，便于通过计算实现将电压信号转换为受力数值。
38.作为可选的实施方式，所述单片机为stm系列或51系列单片机，所述信号放大及ad转换电路采用hx711芯片、ad7190芯片、 ad7714芯片中的任意一种。优选的，单片机型号为stc89c52rc或类似型号的mcu，信号放大及ad转换电路采用hx711芯片或类似高精度的ad芯片。stc89c52rc是一种基础和常用的51系列单片机，性能稳定可靠，便于采购和降低装置成本。如图5所示，hx711 芯片是一款专为高精度电子秤而设计的24位ad转换器芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。该芯片与单片机的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道a或通道b，与其内部的低噪声可编程放大器相连。系统信号放大和模数转换采用 hx711芯片的ad模块实现，如图6所示，u4为hx711芯片，u4 的16脚接电源vcc，14脚和15脚接公共地端，2脚base引脚是外部稳压电源输出控制端，avdd是外部稳压电源输出，用来给应变电阻传感器提供激励稳压电源，其中avdd电压的稳压输出值由电阻r12和r13决定，avdd输出稳压值计算如下：v(avdd)＝v (vbg)(r12 r13)/r13。其中v(vbg)为基准参考电压，其值为1.265v，电阻r12阻值为20k，电阻r13为8.2k，带入上述计算公式可以得出v(avdd)＝1.265(20 8.2)/8.2＝4.35v，此电压值即为应变电阻片1的激励电压。u2的7脚和8脚为a通道输入端口， 9脚和10脚为b通道输入端口，电阻r8与c4，r9与c5组成了的 rc滤波电路用来实现信号的滤波作用。jc9端子是和单片机之间的连接端子，其中1脚接vcc，2脚和3脚分别接单片机的2组io端口，jc8端子是接应变电阻片1的端子，e 和e
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分别接激励电压的正极和负极，a
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和a 接711芯片
的a通道，b
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和b 接711的b通道，本实用新型中力传感器为一路传感器，硬件连接时采用a通道， b通道做悬空处理。
39.作为可选的实施方式，如图1所示，力传感器为压力传感器和/ 或拉力传感器，实现对压力、拉力的单独测量或共同测量。
40.实施例仅是一个特例，并不表明本实用新型就这样一种实现方式。
41.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。