一種小球運動狀態顯示實驗系統的製作方法
2023-04-26 11:28:26 2
本實用新型涉及教具領域,具體的說是一種小球運動狀態顯示實驗系統。
背景技術:
小球在力學實驗中,小球經常被用來做牛頓運動定律、動量定理、能量守恆、擺等各種實驗。在這些實驗中,小球狀態的觀察和記錄非常複雜但關鍵的步驟。現有技術中,使用高速相機記錄運動過程並分析,成本高、效率低且捕獲的運動狀態分析困難。通過固定軌道和傳感器分析又因為適用範圍窄,佔地範圍以及成本較高等缺陷難以被推廣使用。
技術實現要素:
針對現有技術中的問題,本實用新型提供了一種小球運動狀態顯示實驗系統,實驗數據獲取方便、精確,可以實時通過顯示器進行查看和操作,並且可在大量的不同類型實驗中靈活運用。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是:一種小球運動狀態顯示實驗系統,包括用於進行實驗並作為外殼為內部組成提供支撐和緩衝保護的球體、用於檢測小球運動狀態的三軸加速度傳感器、用於實時發送小球運動狀態的無線發送模塊、用於讀取及分析三軸加速度傳感器測量的數據生成運動狀態信息並發送給無線發送模塊的單片機、用於控制設備打開機及關閉的開關、用於將速度清零的清零按鈕、用於提供電源的電池和用於顯示小球運動狀態的顯示器;所述的三軸加速度傳感器、無線發送模塊、單片機和電池設置在所述的球體的內部;所述的開關和清零按鈕安裝在球體表面;三軸加速度傳感器和無線發送模塊分別通過導線與單片機相連接;清零按鈕通過導線與單片機相連接;三軸加速度傳感器、無線發送模塊和單片機分別通過開關與所述的電池相連接;
所述的顯示器所述的顯示器包括顯示器殼體、用於顯示速度信息和加速度信息以及速度隨時間變化曲線或加速度隨時間變化曲線的液晶顯示屏、用於打開或關閉顯示器的顯示器開關、用於切換顯示速度隨時間變化曲線或加速度隨時間變化曲線的顯示模式設定按鈕、用於鎖定或解除鎖定生成曲線的數據的圖像鎖定按鈕、用於調整速度顯示或加速度顯示的分度值的圖像縱軸方向分度值調整旋鈕、用於調整時間分度值的圖像橫軸方向分度值調整旋鈕、用於水平方向平移曲線的圖像橫軸方向平移旋鈕(48)、用於接收單片機通過無線發送模塊發送來的速度及加速度數據的無線接收模塊、用於為液晶顯示屏提供電源以及檢測顯示器上的所有按鈕及旋鈕並分析無線接收模塊接收到的數據並控制液晶顯示屏進行顯示的顯示器控制電路;所述的顯示器殼體呈長方體結構;所述的液晶顯示屏設置在顯示器殼體的前表面左部;所述的顯示器開關、顯示模式設定按鈕、圖像鎖定按鈕從下至上依次安裝在顯示器殼體前表面中部;所述的圖像縱軸方向分度值調整旋鈕、圖像橫軸方向分度值調整旋鈕、圖像橫軸方向平移旋鈕從下至上依次安裝在顯示器殼體前表面右部;所述的無線接收模塊和顯示器控制電路安裝在顯示器殼體的內部;所述的液晶顯示屏、顯示器開關、顯示模式設定按鈕、圖像鎖定按鈕、圖像縱軸方向分度值調整旋鈕、圖像橫軸方向分度值調整旋鈕、圖像橫軸方向平移旋鈕、無線接收模塊分別通過導線與所述的顯示器控制電路相連接。
優選地,所述的球體包括殼體、上蓋、空腔和彈性填充物;所述的殼體呈球缺狀殼體結構;所述的上蓋呈球缺狀,與殼體互補成一個完整球體;上蓋的體積小於殼體的體積;上蓋安裝在殼體的上方;所述的空腔呈上方開口的圓柱體殼狀結構,空腔設置在殼體的上部;所述的彈性填充物設置在殼體與空腔之間;所述的三軸加速度傳感器、無線發送模塊、單片機和電池固定地安裝在空腔內;殼體兩側均設置有一個圓柱形凹陷(111);所述的開關和清零按鈕分別固定地安裝在左右兩側的凹陷(111)中。
優選地,所述的單片機為stm32f103單片機;所述的三軸加速度傳感器為MPU6050模塊;所述的無線發送模塊為2.4GHz發射模塊;所述的無線接收模塊為2.4GHz接收模塊。
優選地,所述的殼體、上蓋和空腔由金屬材質構成;所述的彈性填充物由矽膠材質構成。
優選地,所述的殼體和上蓋通過螺紋相連接。
優選地,所述的上蓋,頂部還設置有一個用於串繩子做擺運動實驗的環形孔。
優選地,所述的電池為紐扣電池。
優選地,所述的開關為自鎖開關;所述的清零按鈕為鍋仔片按鈕。
本實用新型的有益效果是:本實用新型的一種小球運動狀態顯示實驗系統,實驗數據獲取方便、精確、可以實時通過具有藍牙功能的設備進行查看和操作,並且可在大量的不同類型實驗中靈活運用。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是本實用新型的結構示意圖;
圖2是本實用新型的球體立體結構示意圖;
圖3是本實用新型的顯示器立體結構示意圖;
圖4是本實用新型的球體剖視圖;
圖中:球體(1)、開關(2)、清零按鈕(3)、顯示器(4)、殼體(11)、上蓋(12)、空腔(13)、彈性填充物(14)、螺紋(15)、環形孔(16)、凹陷(111)、顯示器殼體(41)、液晶顯示屏(42)、顯示器開關(43)、顯示模式設定按鈕(44)、圖像鎖定按鈕(45)、圖像縱軸方向分度值調整旋鈕(46)、圖像橫軸方向分度值調整旋鈕(47)、圖像橫軸方向平移旋鈕(48)。
具體實施方式
為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解,下面結合具體圖示,進一步闡述本實用新型。
實施例1
如圖1、圖2,本實施例的一種小球運動狀態顯示實驗系統,包括用於進行實驗並作為外殼為內部組成提供支撐和緩衝保護的球體1、用於檢測小球運動狀態的三軸加速度傳感器、用於實時發送小球運動狀態的無線發送模塊、用於讀取及分析三軸加速度傳感器測量的數據生成運動狀態信息並發送給無線發送模塊的單片機、用於控制設備打開機及關閉的開關2、用於將速度清零的清零按鈕3、用於提供電源的電池和用於顯示小球運動狀態的顯示器4;所述的三軸加速度傳感器、無線發送模塊、單片機和電池設置在所述的球體1的內部;所述的開關2和清零按鈕3安裝在球體1表面;三軸加速度傳感器和無線發送模塊分別通過導線與單片機相連接;清零按鈕3通過導線與單片機相連接;三軸加速度傳感器、無線發送模塊和單片機分別通過開關2與所述的電池相連接;
所述的顯示器4所述的顯示器4包括顯示器殼體41、用於顯示速度信息和加速度信息以及速度隨時間變化曲線或加速度隨時間變化曲線的液晶顯示屏42、用於打開或關閉顯示器的顯示器開關43、用於切換顯示速度隨時間變化曲線或加速度隨時間變化曲線的顯示模式設定按鈕44、用於鎖定或解除鎖定生成曲線的數據的圖像鎖定按鈕45、用於調整速度顯示或加速度顯示的分度值的圖像縱軸方向分度值調整旋鈕46、用於調整時間分度值的圖像橫軸方向分度值調整旋鈕47、用於水平方向平移曲線的圖像橫軸方向平移旋鈕48、用於接收單片機通過無線發送模塊發送來的速度及加速度數據的無線接收模塊、用於為液晶顯示屏42提供電源以及檢測顯示器4上的所有按鈕及旋鈕並分析無線接收模塊接收到的數據並控制液晶顯示屏42進行顯示的顯示器控制電路;所述的顯示器殼體41呈長方體結構;所述的液晶顯示屏42設置在顯示器殼體41的前表面左部;所述的顯示器開關43、顯示模式設定按鈕44、圖像鎖定按鈕45從下至上依次安裝在顯示器殼體41前表面中部;所述的圖像縱軸方向分度值調整旋鈕46、圖像橫軸方向分度值調整旋鈕47、圖像橫軸方向平移旋鈕48從下至上依次安裝在顯示器殼體41前表面右部;所述的無線接收模塊和顯示器控制電路安裝在顯示器殼體41的內部;所述的液晶顯示屏42、顯示器開關43、顯示模式設定按鈕44、圖像鎖定按鈕45、圖像縱軸方向分度值調整旋鈕46、圖像橫軸方向分度值調整旋鈕47、圖像橫軸方向平移旋鈕48、無線接收模塊分別通過導線與所述的顯示器控制電路相連接。
所述的球體1包括殼體11、上蓋12、空腔13和彈性填充物14;所述的殼體11呈球缺狀殼體結構;所述的上蓋12呈球缺狀,與殼體11互補成一個完整球體;上蓋12的體積小於殼體11的體積;上蓋12安裝在殼體11的上方;所述的空腔13呈上方開口的圓柱體殼狀結構,空腔13設置在殼體11的上部;所述的彈性填充物14設置在殼體11與空腔13之間;所述的三軸加速度傳感器、無線發送模塊、單片機和電池固定地安裝在空腔13內;殼體11兩側均設置有一個圓柱形凹陷111;所述的開關2和清零按鈕3分別固定地安裝在左右兩側的凹陷111中。
所述的單片機為stm32f103單片機;所述的三軸加速度傳感器為MPU6050模塊;所述的無線發送模塊為2.4GHz發射模塊;所述的無線接收模塊為2.4GHz接收模塊。
所述的殼體11、上蓋12和空腔13由金屬材質構成;所述的彈性填充物14由矽膠材質構成。
所述的殼體11和上蓋12通過螺紋15相連接。
所述的上蓋12,頂部還設置有一個用於串繩子做擺運動實驗的環形孔16。
所述的電池為紐扣電池。
所述的開關2為自鎖開關;所述的清零按鈕3為鍋仔片按鈕。
在使用時的工作過程:
①用戶打開顯示器開關43,按下開關2,顯示器和小球自動連接,小球開始工作;
②用戶按下清零按鈕3,開始實驗,單片機將三個方向的初速度均清零;
③單片機通過SPI總線向三軸加速度傳感器發送運動狀態獲取請求;
④三軸加速傳感器測量小球運動狀態,並將其中的三個直線方向的加速度發送到SPI總線;
⑤單片機讀取三個加速度值,分別通過積分得到三個方向上的當前速度Vx、Vy、Vz,將三個方向的速度分別進行平方再相加,將結果開方得到速度V;
⑥單片機將三個加速度值以及Vx、Vy、Vz、V供7個參數通過無線發送模塊發送給顯示器4;
⑦用戶在顯示器4上通過顯示模式設定按鈕44在以下兩種顯示模式中切換:速度曲線、加速度曲線;
⑧顯示器4接收到小球發送來的信息後顯示器控制電路對數據進行處理,並根據用戶設定的顯示模式在液晶顯示屏42上顯示出來;
⑨在得到比較理想的曲線後,用戶按下圖像鎖定按鈕45,曲線生成所需的數據不再更新,再次按下圖像鎖定按鈕45後,鎖定解除;
⑩用戶通過圖像縱軸方向分度值調整旋鈕46、圖像橫軸方向分度值調整旋鈕47、圖像橫軸方向平移旋鈕48調整曲線圖,並觀察曲線進行分析,實驗結束。。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解,本實用新型不受上述實施例的限制,上述實施方式和說明書中的描述的只是說明本實用新型的原理,在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下,本實用新型還會有各種變化和改進,這些變化和改進都落入本實用新型要求保護的範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。