基于單片機和VB的動態力學演示儀

袁敏 徐銳

關鍵詞：單片機;VB;力學演示

中圖分類號：TP212;G633.7

文獻標識碼：A

超重失重和沖擊現象是在學習加速度和沖量問題時必然涉及的基本的力學現象。對這部分知識的教學通常采取講授的方式，由于缺少合適的演示儀器，學生較難對這些現象形成直觀的認識。

筆者設計了一種基于VB和Excel軟件的力學演示儀，可以通過壓力或加速度隨時間的變化關系生動直觀地演示此類力學現象。單片機系統和VB軟件用來實現壓電信號的采集和物體實時受力曲線的顯示。再通過Excel軟件進行數據的處理，可以進一步給出物體運動過程中的加速度變化。

一、壓力、加速度求解的基本原理?

本實驗采用高精度的電路和力敏傳感器。把待研究物體置于力敏傳感器上，傳感器的輸出電壓U與所受壓力F成正比，即

U=KF ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中K為二者的比例系數，被稱為傳感器的比例系數[1]。當物體運動時，壓力傳感器的電壓信號U會發生變化，從VB窗口中可以讀出實時的電壓U，根據（1）式可求出壓力F。而對于待測物體，其所受合外力滿足

ma=F-mg ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

根據（2）式可求出物體實時加速度a。

二、系統硬件電路

系統硬件電路主要包括：硬件采集及上傳部分、單片機部分和串行通訊部分等。

1.電壓力采集及放大部分

我們選用了電子秤的壓力傳感器，將微弱的電壓力信號引出后，經過二級運算放大電路放大3000倍左右，達到0.1V的數量級。并采用小電容濾去雜波信號，減小采集連續變化電壓信號時的失真。

2.單片機部分

我們用的單片機是新華龍單片機C8051系列的C8051F330[2]。電路圖如圖1。該種型號的單片機自帶模數轉換模塊。P1.0作為接收放大后的電壓信號的端口，P0.4，P0.5作為串行通訊端口。

3.串行通訊部分

此部分采用的MAX3232芯片。此芯片性能穩定，電路成熟。將此部分通過USB轉串口接線，就可以實現計算機對單片機的控制與二者的數據交換。

三、軟件部分

軟件部分主要包括單片機、C語言編程、VB程序、Excel公式的編寫。

1.VB程序

我們通過VB軟件下達上傳數據的指令，通過串行通訊電路給單片機;單片機收到指令后按通訊協議將數據包通過串行通訊電路上傳給VB軟件。并用PSset控件畫出實時的電壓U的圖像。由于U和物體受壓力F成正比，所以U的變化規律和F的變化規律相同。物體靜止時，U（或F）曲線水平;物體超重運動或受到沖擊時，U（或F）曲線上升;物體失重時，U（或F）曲線下降，如圖2所示。

2.Excel程序

Excel用來處理數據。在VB軟件中，我們加入鼠標跟隨功能，每個數據點的數值，都可以在窗口中讀出來。VB窗口的數值與電壓U成正比，電壓U又與壓力F成正比。每次實驗前我們均可以用標準質量的物體進行定標。從而利用壓力、加速度與電壓的關系算出壓力F和加速度a。在Excel表格編輯好公式后，每次僅需要輸入在VB中讀取的數據就可以得到F和a，簡單方便。

四、實驗演示與測量

1.超重失重和沖擊現象的演示

超重失重的圖像如圖2，沖擊現象的圖像如圖3。

2.壓力F和加速度a的計算

輸入實測的VB信號后，Excel得出了相應壓力F和加速度a。如圖4。

超重、失重和沖擊現象本來是瞬時發生的現象，不易演示。但利用單片機可以極快地采集現象發生時的大量實時數據。該實驗裝置利用單片機采集數據，VB軟件控制、保留數據和制圖，Excel軟件處理數據。通過實時的圖像演示了超重、失重和沖擊現象，根據這些數據同時還可以得出物體實時的受力和加速度。該實驗裝置簡單便于操作，圖像直觀生動，對力學部分的教學很有幫助。

參考文獻：

[1]姜香菊.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2]張培仁，孫 力.C8051F系列單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2013.