無線加速度計在超重失重實驗中的應用

無線加速度計在超重失重實驗中的應用

陳銳鴻吳先球①

指導教師：吳先球(1968-)，男，博士，教授，主要從事信息技術在實驗教學中的應用等研究.

(華南師范大學物理與電信工程學院廣東 廣州510006)

摘 要：用傳統的指針式儀器演示超重、失重時，實驗現象轉瞬即逝,不易觀察.利用MPU6050和2.4G無線技術實時采集加速度值并將其可視化，以實時圖像、生成數據表供用戶進行實驗分析，克服了傳統實驗的不足,更容易激發學生的學習興趣.

關鍵詞：超重失重加速度計無線

作者簡介：陳銳鴻(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向為物理實驗與教學.

收稿日期：(2015-05-04)

1引言

傳統的超重、失重實驗多以指針式儀器標示實驗數據，例如體重計、彈簧測力計等.其特點是直觀、簡便，但實驗現象轉瞬即逝，而且多數超重、失重實驗中加速度變化劇烈，這就導致了指針擺動頻繁，不易于學生觀察[1].筆者開發了一套無線數字加速度計，現介紹其在超重、失重探究實驗中的應用.比起傳統實驗中讓學生站立在體重計上起立、下蹲，無線實時傳輸使得演示實驗效果更佳，數據存儲有利于分析實驗規律，適合學生開展探究實驗，深刻理解物理規律.

2實驗儀器設計

2.1儀器結構

本實驗儀器結構如圖1所示，包括一個發射端和一個接收端.按系統功能分為3個模塊：2.4G無線傳輸模塊、加速度采集模塊、數據處理模塊.硬件搭建好后，用KeilC編寫相應模塊的程序.

圖1　無線加速度計的系統框圖

(1)2.4G無線模塊包括NRF24LE1芯片和NRF24L01+STC11L04芯片.NRF24LE1負責驅動MPU6050采集加速度并且將數據發送到接收端(NRF24L01+STC11L04)，再將數據通過串口傳入PC機.

(2)數據處理模塊由PC機和LabVIEW軟件平臺構成.LabVIEW是一個圖形化編程環境，能方便地將數據以波形圖的方式呈現.設計了暫停、調整游標查看歷史記錄、生成數據表(圖5)等功能，滿足作為數據采集平臺的需要.

(3)加速度采集模塊由MPU6050芯片構成，該模塊含有3軸MEMS加速度器.每軸各有一個16位AD采集器，精度較高，加速器的程式可控感測范圍為±2g,±4g,±8g與±16g[2].

2.2加速度計采集原理

常見的MEMS加速度計的感測部分主要由執行器(質量塊)、可動臂、固定臂、感應器與限位器組成，可動臂與固定臂形成平板電容，通過測定可動臂電壓即可測定加速度[3].MPU6050的3軸加速度器感測輸出結果可以用圖2來類比說明，此時z軸豎直向上.以灰色小球代表質量塊與可動臂，以立方體盒子代表除此以外的芯片殼體.

當芯片處于完全失重時，z軸輸出結果為零，如圖2(a)所示.當芯片相對地面靜止，外界有一個重力場時，z軸輸出結果為1g，如圖2(b).當芯片以加速度g向上運動時，輸出結果為1g，如圖2(c).當在重力場中測定芯片的加速度時，需要對輸出結果進行定標，即減去1g.

圖2　 MPU6050的感測輸出結果

2.3LabVIEW數據處理

通過LabVIEW的VISA功能讀取串口字節數據，如圖3.

再將加速度數據還原為16位整型數據并轉化為人們熟悉的加速度值，存入表格和波形圖表顯示，如圖4.時間數據由NRF24LE1進行軟件延時并由定時器計算得到.

圖3　 LabVIEW讀取串口數據

圖4　數據處理與顯示

3應用——人下蹲起立時的超重失重實驗

人在地面上只受到重力和地面對人的支持力，且兩力方向相反，所以判斷人的加速度即可判斷地面對人的支持力與人的重力的大小關系.加速度計采集發射端由手水平持住并與人體相對靜止.人下蹲后靜止,接著起立，運動加速度情況如圖5.

圖5　人下蹲起立時的加速度

以向上為正方向，可以直觀地看出下蹲過程中人先失重后超重，起立時人先超重后失重.細致直觀的數據，有助于糾正部分學生“向下運動失重、向上運動超重”的思維誤區，分清稍微復雜的動力學情景,“下蹲時速度方向向下，但是速度大小是由零開始增大接著再減小為零，所以加速度方向是先向下后向上.”

4小結

該無線加速度計硬件成本低，其采集數據可視化、無線傳輸的特點，適合進行超重、失重演示實驗或者探究實驗.傳統上由理論推導的加速度與超重、失重的關系，可以藉此儀器讓學生深刻體會，圖像和數據的引入使得學生更加容易觀察實驗現象，分析實驗規律，激發學生的學習興趣.應當指出，本加速度計是針對超重、失重實驗而設計的，只采集單軸加速度，如果進行其他實驗，應視具體情況進行改進.

參 考 文 獻

1人民教育出版社.普通高中課程標準實驗教科書 物理·必修1.北京:人民教育出版社,2010.86～87

2InvenSense Inc.MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification.[EB/OL]. CA 94089 U.S.A: InvenSense Inc, 2013[2015-1-3].http://www.invensense.com

3王文濤.單軸硅微加速度傳感器的原理與電路設計.傳感器技術,2005(14):92～93