CN104751703A - 电子单摆演示装置 - Google Patents

Abstract

现有的单摆演示装置，无法记录摆球运动的曲线轨迹，也无法把实验中产生的运动曲线记录、保存下来，并在必要的时候被打印出来。本发明的目的在于推出一种配有新式二维红外传感***的二维单摆演示装置，它包括有一个四方直立的布有红外传感二维坐标的摆架、摆球、摆线和滑轮机构，其电子电路部分包括有单片机、其周边的外接电源、电源电路、横向红外接收模块、纵向红外接收模块、纵向红外发射模块、横向红外发射模块、储存模块、以及电脑软件和各电路接插口。本发明的优点是它在实验时能够把单摆摆球的运动特性曲线即时地显示在其直立的电子传感平板上，让学生直接看到这条单摆运动曲线，并且，保存下来，通过计算机的辅助计算，可以向学生证明，这条曲线符合对单摆运动所规定的数学、物理定义。

Description

电子单摆演示装置

[技术领域]单摆演示装置是中学物理课程中的实验仪器，它测量出摆球在单摆运动过程中的周期来计算重力加速度g，并研究单摆运动摆长与振动周期间的关系。用一根绝对挠性且长度不变、质量可忽略不计的线悬挂一个质点，在重力作用下在铅垂平面内作周期运动，就成为单摆。单摆在摆角小于5°(现在一般认为是小于10°)的条件下振动时，可近似认为是简谐运动。单摆运动的周期公式：T=2π√(L/g).其中L指摆长，g是当地重力加速度。 

[背景技术]现有的单摆演示实验仪，其构造大体上与本发明有点相近，但是它是一种需要用传感器测出摆球运动一个周期的时间，而且在测量过程中还要记录摆球摆动时的角度，而且无法记录摆球运动的曲线轨迹，在改变摆长的时候还要改变角度盘的位置，费时费力。 

采用这种传统的仪器来测量时，不够形象和直观，它不能即时即刻地把真实的单摆运动所经过的运动曲线的轨迹记录并显示给学生看，人们只能够看到单摆的运动，而看不到摆的运动轨迹，也无法把实验中产生的运动曲线记录、保存下来，并在必要的时候被打印出来。 

本发明的目的在于推出一种配有新式二维红外传感***的二维单摆演示装置，它在实验时能够把单摆摆球的运动特性曲线即时地显示在仪器的直立平板上，让学生直接看到这条单摆运动曲线。并且通过曲线可以探究摆球单摆运动过程中摆长与周期间的关系，以及能计算出重力加速度g，并且这条摆球运动所得到的曲线能被纪录、储存下来，以供作为实验文档之用，它可重复显示和打印。并且，通过计算机的辅助计算，可以向学生证明，这条曲线符合对单摆运动所做出的数学、物理定义。 

[发明内容]

1，一种电子单摆演示装置，它包括有一个直立的摆架、一个悬挂在摆架上的摆球、一根做实验时不会伸长的摆线和一个摆线悬挂固定装置，其特征是：所述的摆架包含有上红外发射直条框架、下红外接收直条框架、左红外发射直条框架和右红外接收直条框架，并由这四条电子直条框架围拢固定形成，所述的电子围框的上直条框架上设有一个调节摆线长短的滑轮机构；在所述围框下部的下直条框架上设有一个用以确定摆线摆角的弧线刻度盘，所述的电子电路部分包括主控板上的单片机、其周边的外接电源、电源电路、横向红外接收模块、纵向红外接收模块、纵向红外发射模块、横向红外发射模块、储存模块、以及电脑软件和各电路接插口。 

2，所述的红外发射模块包含有红外发射直条框架共两块，这两块直条框架上的电路布置形态是一样的，第一块是竖直布置的红外发射管左直条框架49，其上有7块级联芯片74HC595芯片和54个红外发射管电路和4块74HC14数字信号整形芯片；而第二块是水平布置的红外发射管上直条框架50，其上共有5块级联芯片74HC595芯片和4块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外发射管电路。 

3，所述的红外接收模块包含有红外接收直条框架共两块，这两块直条框架上的电路布置形态是一样的，第一块是竖直布置的红外接收管右直条框架，其上有7块级联芯片74HC595和54个红外接收管电路和3块74HC14数字信号整形芯片；而第二块是横向水平布置的红外接收管下直条框架，其上共有5块级联芯片74HC595和3块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外接收管电路。 

4，所述的电气连接的盒体它是一个外挂的方形的盒体，其内包含有控制整个***运行的主控板上的单片机芯片，电源输入接口，电源电路，存储模块，与电脑通讯用的USB接口，与两块红外发射管直条框架通讯用的两个接口，和与两块红外接收管直条框架通讯用的两个接口。 

5，所说的电源电路是直流电压转换电路，D1芯片是DC-DC转换芯片，它是把5v的直流电压转换为3.3v的直流电压的DC-DC转换芯片，型号是AS1117-3.3v。 

6，所说的单片机的型号是C8051F380芯片。 

7，所述的各电路之间的接插口包含有以下一些： 

红外发射管左侧入口P3，红外发射管上侧入口P4， 

红外接收管右侧入口P1，红外接收管下侧入口P2； 

红外发射管左侧入口P67，红外发射管上侧入口P68， 

红外发射管左侧级联接口P65，红外发射管上侧级联接口P66； 

红外接收管下侧入口P65，红外接收管右侧入口P67； 

红外接收管下侧级联接口P66，红外接收管右侧级联接口P68。 

8，所述的摆架是一个由上、下、左、右四条成为电子围框的直条框架通过四个角件装配固定而成，它是一个四方直立的由红外线形成的二维红外坐标平面。 

9，所述的电子围框的上直条框架上设有一个调节摆线长短的摆线滑轮机构，它包含有摆线滑轮、螺杆轴、紧固弹簧、调节螺母、位于上直条框架中央位置的一个摆线控制器和用于固定调节螺杆的凸台。 

10，所述的用于连接固定四根直条框架形成一个直立四方二维红外坐标平面的四个角件中位于底下的两个比位于上面的两个要来得大而重。 

本发明提供一种电子单摆演示装置，它包括有一个直立的摆架，摆架又包含一个由上、下、左、右四条电子围框通过四个角件装配固定而成的一个四方直立的由纵横交错的红外线形成的二维红外坐标。所述的电子围框的上直条框架上设有一个调节摆线长短的滑轮机构。在做 实验时，被悬挂着的摆球就在这个二维红外坐标的范围内作来回往复的单摆运动。所述的摆架上的电路包括有两个红外发射模块，它们是左红外发射模块和上红外发射模块；电路还包括两个红外接收模块，它们是右红外接收模块和下红外接收模块。在所说的两块红外发射模块的直条框架上固定有间隔均匀的红外线发射管；而在所述的两块红外接收模块的直条框架上固定有间隔均匀的红外线接收管。所述的上、下、左、右四条直条框架的长短尺寸决定了所述二维红外坐标的面积和长宽比例。 

在所述的摆架的上直条框架上固定有摆线滑轮机构，所述的摆线滑轮机构又包含有位于上直条框架中央位置的一个摆线控制器，在位于上直条框架边上的位置上固定有一个绕线滑轮。在上直条框架中空内腔的里侧壁面上设有一块向内凸起的厚肉平台，该平台供绕线滑轮的螺杆轴固定之用。在所说的上直条框架的一个侧立面上固定有与立面相互垂直的一根螺杆轴，在安装滑轮时，在此螺杆轴上先套入所述的绕线滑轮，然后再同轴套入一个紧固弹簧，最后再套入一个调节螺母。绕线滑轮与上直条框架的立面之间是呈相互面面贴合又维持可转动的紧贴摩擦状态。所述的绕线滑轮与上直条框架之间的贴紧程度，也就是两者之间的摩擦程度是由所述的调节螺母决定的。调节螺母旋紧时弹簧对滑轮的正压力增大，滑轮对上框的紧贴度也增大，相互之间的摩擦力就加大；反之，摩擦力就小。调节的作用是为摆线的尺寸定长。 

在滑轮上缠绕摆线后，摆线先是通过绕线滑轮沿水平方向放出，然后横向引伸到所述上直条框架居中位置上固定的摆线控制器下垂。所述的摆线控制器是一个台阶形的中空柱体，它被紧定在上直条框架正中位置的水平顶面上，它有一个水平孔和一个垂直孔，此两孔是相互连通的，此两孔就是供摆线通过之用。 

所述的摆架四个角件中位于底下的两个，其尺寸和重量明显要比居上的两个来的大而重，所以，整个电子围框的重心是偏下的。这就保证了整个实验仪器的稳定性。 

在所述摆架的下直条框架的居中位置上固定有一个弧线刻度表。所述弧线刻度表的刻度线的位置与所述摆球的摆动是同心的。在静止状态下，自摆线控制器下垂的摆线是与重垂线重合的。 

摆球和摆线在运动过程中不断切割和阻断二维红外坐标里的红外光射线，这就不断产生电子信息。这些数字信息通过电子电路和计算机软件的作用就可以在计算机显示屏上把摆球在运动中产生的运动轨迹的即时信息显示出来，计算机还可以把符合单摆运动规律的简谐运动的正弦波曲线也显示出来。因为单摆的周期是与摆线的长度成正比，不同的摆长，其振荡的周期和频率是不同的，显示出来的简谐运动的正弦波曲线也是不相同的。 

[附图说明]

图1为本发明实施例的电路的***框图。 

图2为本发明实施例的***的外接电源接口。 

图3为本发明实施例的DC-DC电源电路。 

图4为本发明实施例的单片机的引脚定义图。 

图5为本发明实施例的单片机晶振电路。 

图6为本发明实施例的单片机烧录接口。 

图7为本发明实施例的存储模块电路图。 

图8为本发明实施例主控板与两个红外发射板的2个连接接口。 

图9为本发明实施例主控板与两个红外接收板的2个连接接口。 

图10为本发明实施例中的红外发射板的左侧、上侧入口接口。 

图11为本发明实施例中红外发射管的红外线发射电路。 

图12为本发明实施例中具有数字信号整形功能的74HC14数字信号整形芯片。 

图13为本发明实施例的红外发射板左侧、上侧级联接口。 

图14为本发明实施例的红外接收板下侧、右侧入口接口。 

图15为本发明实施例的红外接收管红外数字信号接收电路。 

图16为本发明实施例级联芯片74HC595数据输出信号.引脚图。 

图17为本发明实施例红外接收板整形电路。 

图18为本发明实施例红外接收板下侧级联接口和右侧级联接口。 

图19为本发明实施例主控板连接电脑接口。 

图20为本发明实施例主控板与仪器主体上的电路的接口连接图。 

图21为本发明实施例的机械图的正面立体图。 

图22为本发明实施例的机械图的正面立体剖视图。 

图23为本发明实施例的机械图后视立体图。 

[具体实施方式]以下介绍本发明的较佳实施例，它是一个由四根中空的其内布置有电子电路的直条框架围拢形成的电子单摆演示装置，基本形态为一个方框。其电子电路的一部分被设 置在所述的四根中空的直条框架里，而其余部分则分布在与其本体相分离的方形盒体48内，盒体内装有主控板(未显示)。四条直条框架上间隔均匀地布置有排列整齐的红外发射管65或红外接收管66，它们左右对称，上下对称的布置。这四条直条框架就构成了一个由纵横交错的红外射线组成的电子传感坐标系。 

图1为本发明实施例的二维电子单摆演示装置电路的***框图：它包含有居主控板电路核心部位的单片机芯片4，其周边电路有外接电源1、电源电路2、横向红外接收模块5、纵向红外接收模块7、纵向红外发射模块9、横向红外发射模块8、存储模块6、和电脑软件3。 

图2为图1电子单摆演示装置的电路***总图与外接电源相连接的电源连接口10，外接直流的5v电源是用来为本发明的二维实验仪提供电源的。 

图3为DC-DC电源电路：此电路的功能是把外接电源的直流5v电源转换成为单片机4供电的3.3v直流电源。D1芯片11的型号是AS1117-3.3v是DC-DC转换芯片，它把5v的直流电压转换为3.3v的直流电压。 

图4为单片机4的引脚定义图。 

单片机引脚定义如下： 

SCL，SDA：存储芯片控制信号。 

595EN，C_595EN：74HC595级联芯片片选信号。 

SFT_CLK，C_SFT_CLK：74HC595级联芯片移位时钟信号。 

LCH_CLK，C_LCH_CLK：74HC595级联芯片信号输出时钟信号。 

DAT，C-DAT：74HC595级联芯片数据输入信号。 

SIG_OUT，SIG_OUT2：红外接收总线信号。 

USB_D+，USB_D-：单片机USB接口数据线，连接电脑USB接口。 

RST，P20单片机复位信号和程序烧录控制线。 

XTAL1，XTAL2晶振信号输入。 

图5是单片机晶振电路。在此电路中Y1晶振元件12的XTAL1，XTAL2分别连接到单片机4的XTAL1，XTAL2引脚上。XTAL1，XTAL2为单片机4提供12MHz的振荡频率。 

图6是单片机烧录接口13，其RST，P20两个信号线是连接单片机4的RST，P20引脚的。 

图7为存储模块电路图，SCL，SDA两个信号线连接到单片机4的SCL，SDA引脚。U1单元芯片14是型号为AT24CO2集成块，它是EEPROM性质的集成块，它用于存储***实验数据。 

图7为存储模块电路图，SCL，SDA两个信号线连接到单片机4的SCL，SDA引脚。U1单元芯片14是型号为AT24C02集成块，它是EEPROM性质的集成块，它用于存储***实验数据。 

图8为主控板与红外发射板的2个连接接口。P3接口15为红外发射管左侧入口，其中信号C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT，分别连接到单片机4中的C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT引脚。P4接口16为红外发射管上侧入口，其中信号595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分别连接单片机4的595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT引脚。所述的直条框架载上了红外发射管后就成为这里所称的红外发射板。 

图9为主控板与红外接收板的2个连接接口。图9中P1接口17为红外接收管右侧入口，其中信号C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT，SIG_OUT_2分别连接到单片机4的C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT，SIG_OUT_2引脚。P2接口18为红外接收管下侧入口，其中信号595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT，SIG_OUT分别连接单片机4的595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT，SIG_OUT引脚。 

图10为本发明实施例中的红外发射板的入口接口。P67接口19为红外发射管左侧入口，其中595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分别连接到发射板上的图11中U1单元21的级联芯片74HC595的595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT引脚。P68接口20为红外发射管上侧入口，其中595EN_2，SFT_CLK_2，LCH_CLK_2，DAT_2分别连接到图12中的U11单元27的数字信号整形芯片74HC14的595EN_2，SFT_CLK_2，LCH_CLK_2，U12单元28的74HC14芯片的DAT_2引脚。 

图11为红外发射管发射电路。红外发射板共有两块，这两块都是直条框架，其上的电路布置样式是一样的。第一块是竖直布置的红外发射直条框架49，其上有7块级联芯片74HC595和54个红外发射管电路和4块74HC14数字信号整形芯片，红外发射直条框架49位于电子围框的左侧。而第二块是水平布置的红外发射上直条框架50，其上共有5块级联芯片74HC595和4块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外发射管电路。 

在该电路中，每一块74HC595级联芯片是与八组由三极管、电阻、红外发射管组成的线路单元相连的，本电路显示的就是这样的情况。红外发射直条框架49上共有7个级联芯片74HC595；而红外发射直条框架50上共有5个级联芯片74HC595。 

级联芯片74HC595上的595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分别连接到图10中红外发射管入口中的P67接口19中信号595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT。 

U1单元21的级联芯片74HC595上的LED1，LED2，LED3，LED4，LED5，LED6，LED7，LED8分别连接红外发射管电路的电阻R5，R6，R13，R14，R7，R8，R15，R16。此电路图为整体电路中许多相似电路中的一个代表部分。 

在上侧红外发射管电路板50中，有5个74HC595级联芯片，40个红外发射管电路。在左侧红外发射管电路板49中有7个74HC595级联芯片，54个红外发射管电路。 

由信号控制线SFT_CLK，LCH_CLK，595EN，DAT控制74HC595级联芯片21，使LED1输出高低电平完成对红外发射管23的控制，以此类推LED2，LED3，LED4，LED5，LED6，LED7，LED8分别控制各自相应的相似电路块。 

Q1三极管22的集电极通过电阻R1连接到5V电源，当LED1高电平时，Q1三极管22导通，此时红外发射管P1接口23发光。当LED1低电平时，Q1三极管22截止，此时红外发射管P1接口23熄灭。以此类推，信号LED2控制接口P2，LED3控制接口P3，LED4控制接口P4，LED5控制接口P5，LED6控制接口P6，LED7控制接口P7，LED8控制接口P8。芯片21的74HC595中的信号SD01，用来级联下一块74HC595级联芯片24的输入端SD01。 

图12为红外发射板中具有数字信号整形功能的74HC14整形芯片电路。 

规格为28的红外发射直条框架50、和规格为38的红外发射直条框架49上各自有四片数字信号整形电路芯片74HC14。 

其中：U2单元25的数字信号整形芯片74HC14中595EN，LCH_CLK，SFT_CLK，U12单元28的74HC14中DAT_2，U11单元27的74HC14中SFT_CLK_2，LCH_CLK_2，595EN2分别连接图10中的红外发射管输入P67接口19，P68接口20中的相应引脚。 

U4单元26的74HC14的SDOUT引脚连接图16中U5单元39的74HC595中的SDOUT引脚。 

U2单元25中信号C_595EN，C_LCH_CLK，C_SFT_CLK，U4单元26中信号C_SDOUT，U11单元27中信号SFT_CLK_2OUT，LCH_CLK_2OUT，595EN_2OUT，U12单元28中DAT_2OUT分别连接到图13红外发射级联接口上的P65接口29中的C_595EN，C_LCH_CLK，C_SFT_CLK，C_SDOUT信号，P66接口30中SFT_CLK_2OUT，LCH_CLK_2OUT，595EN_2OUT，DAT_2OUT。 

红外发射板数字信号整形电路的工作如下：图12中， 

输入信号SFT_CLK经过U2单元25的为数字信号整形的74HC14芯片25的1脚输入，经过U2单元的74HC14芯片25的非门电路的输出的2脚，连接U2单元的74HC14芯片25输入端3脚，再次经过U2单元的74HC14芯片25的非门电路，输出信号C_SFT_CLK是输入信号SFT_CLK经过了两次U2单元的74HC14芯片25的非门电路，仍保持原来信号SFT_CLK的电平信号。 

以此类推，输入信号595EN经过两次数字信号整形电路74HC14芯片25，输出信号为C_595EN。输入信号LCH_CLK经过两次数字信号整形电路的74HC14芯片25，输出信号为C_LCH_CLK。输入信号SDOUT，经过两次数字信号整形U4单元的74HC14芯片26，输出信号为C_SDOUT。输入信号SFT_CLK_2经过两次数字信号整形单元U11的74HC14芯片27，输出信号为SFT_CLK_2OUT。输入信号LCH_CLK_2经过两次数字信号整形单元U11，的74HC14芯片27，输出信号为LCH_CLK_2OUT。输入信号595EN_2经过两次数字信号整形芯片U11的74HC14芯片27输出信号为595EN_2OUT。输入信号DAT_2经过两次数字信号整形单元U12的74HC14芯片28，输出信号为DAT_2OUT。 

图13为红外发射板左侧上侧级联接口，用于连接下一块板子上的相应接口。P65接口29为红外发射左侧级联接口，其中C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_SDOUT，P66接口30为红外发射上侧级联接口，其中595EN_2OUT，SFT_CLK_2OUT，LCH_CLK_2OUT，DAT_2OUT分别连接图12中U2单元25，U4单元26，U11单元27，U12单元28等74HC14的相应引脚。 

图14为红外接收板下侧、右侧入口接口。P65接口31为红外接收板下侧入口，其中信号595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分别连接图15中U1单元33的74HC595芯片的相应引脚，SIG_OUT为红外接收下侧总线信号它连接每个单独红外接收管的信号输出。P67接口32为红外接收板右侧入口，其中C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，C_DAT分别连接图17中U13单元40，U10单元41，U12单元42，芯片74HC14等信号整形电路相应引脚。SIG_OUT_2为红外接收板右侧总线连接图17中U12单元42芯片74HC14的相应引脚。所述的直条框架载上了红外接收管后就成为这里所称的红外接收板。 

图15为红外接收管电路。 

红外接收板共有两块，这两块都是直条框架，其上的电路布置的方式是一样的。第一块是竖直布置的红外接收直条框架51，其上有7块74HC595级联芯片和54个红外接收管电路和3块74HC14数字信号整形芯片。而第二块是水平布置的红外接收直条框架52，其上共有5块74HC595级联芯片和3块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外接收管电路。 

74HC595级联芯片上的LED1，LED2，LED3，LED4，LED5，LED6，LED7，LED8分别连接二极管D9，D10，D11，D12，D7，D8，D21，D22。U1单元33的74HC595级联芯片的595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，DAT分别连接图14中的P65接口31的相应引脚。此电路图为整体电路的一部分，在下侧红外接收管电路板中，有5个74HC595级联芯片，所以电路中有5个相似部分。 

在右侧红外接收管电路板51中有7个74HC595级联芯片，54个红外接收管电路。图15中，由数字信号控制线SFT_CLK，LCH_CLK，595EN，DAT，控制芯片74HC595级联芯片33，使LED1，LED2，LED3，LED4，LED5，LED6，LED7，LED8输出高低电平。红外接收三极管P3接口34通过电阻R17连接到5V，当有红外光照射到红外接收三极管P3接口34时，红外接收三极管P3接口34导通，D3二极管36负极信号为低电平。此时如果D9二极管35的负极信号LED1为高电平时，D3二极管36正极为低电平，此时Q3三极管37截止，Q3三极管37的集电极连接电阻R3到5V，输出总线SIG_OUT为高电平。当实验时的摆球55摆动时，它会不断挡住坐标系里的红外光时，红外接收三极管P3接口34截止，D3二极管36负极信号为高电平，此时如果D9二极管35的负极信号LED1为高电平时，D3二极管36正极为高电平，此时Q3三极管37导通，Q3三极管37的集电极连接电阻R3到5V，输出总线SIG_OUT为低电平。此外如果D9二极管35的负极信号LED1为低电平时即此路红外接收三极管没有被选中，D3二极管36正极为低电平，Q3三极管37截止，输出总线SIG_OUT为高电平。以此类推其他的红外接收三极管电路的输出信号都连接到信号总线SIG_OUT上，并通过信号的选择，以及总线上的高低电平来判断某个红外接收管是否有物体遮挡。74HC595级联芯片33上的信号SD01连接到74HC595级联芯片38上的信号输入SD01上。 

图16为级联芯片39，它是型号为74HC595的芯片，本图显示其数据输出信号引脚图。 

表示在红外发射板和红外接收板中共有的级联芯片74HC595数字信号级联输出信号。 

图中SDOUT在红外发射板中连接到图12中U4单元26的74HC14芯片的相应引脚。 

图中SDOUT在红外接收板中连接到图17中U12单元42的74HC14芯片的相应引脚。 

图17为红外接收板数字信号整形电路， 

U13单元40的74HC14数字信号整形芯片中C_595EN，C_SFT_CLK，C_LCH_CLK，U10(41)中595EN，SFT_CLK，LCH_CLK，U12单元42中C_DAT，SIG_OUT，SIG_OUT_2分别连接红外接收板P65接口31，红外接收板P67接口32的相应引脚。U12单元42的74HC14芯片的SDOUT连接到图16中U5单元39的74HC595级联芯片的SDOUT脚。Q65三极管43的基极信号R_SIG_OUT，Q66三极管44的基极信号R_SIG_OUT_2分别连接到红外接收板图18中P68接口46级联接口的相应引脚U12单元42的74HC14数字信号整形芯片中R_SIG，R_SIG2连接到Q65三极管31，Q67三极管32的发射极。 

红外接收板数字信号整形电路的工作如下：图17中，输入信号C_SFT_CLK经过U13单元的74HC14芯片40的1脚输入，经过U13单元的74HC14芯片40的非门电路，输出的2脚连接U13单元的74HC14芯片40输入端3脚，再次经过U13单元的74HC14芯片40的非门电路，输出信号R_SFT_CLK是输入信号C_SFT_CLK经过了两次U13单元的74HC14芯片40的非门电路，仍保持原来信号C_SFT_CLK的电平信号。 

以此类推，输入信号C_LCH_CLK，经过两次U13单元的74HC14芯片40，输出信号R_LCH_CLK_2。输入信号C_595EN，经过两次U13单元的74HC14芯片40，输出信号R_595EN_2。输入信号SFT_CLK，经过两次U10单元的74HC14芯片41，输出信号R_SFT_CLK。输入信号LCH_CLK，经过两次U10单元的74HC14芯片41，输出信号R_LCH_CLK。输入信号595EN，经过两次U10单元的74HC14芯片41，输出信号R_595EN。输入信号SDOUT，经过两次U12单元的74HC14芯片42，输出信号R_SDOUT。输入信号C_DAT，经过两次U12单元的74HC14芯片42，输出信号R_DAT2。当总线信号R_SIG_OUT高电平时，Q65三极管43导通，信号R_SIG2为低电平，R_SIG2连接74HC14芯片42的11脚输入，经过非门后，输出信号SIG_OUT为高电平。总线信号R_SIG_OUT低电平时，Q65三极管43截止，信号R_SIG2为高电平，R_SIG2连接74HC14芯片42的11脚输入，经过非门后，输出信号SIG_OUT为低电平。初始信号R_SIG_OUT与输出信号SIG_OUT电平保持一致。以此类推，输入总线信号R_SIG_OUT_2，经过数字信号整形电路后，输出信号为SIG_OUT_2。 

图18为红外接收板下侧连接口和右侧级连接口。其中P66接口45为红外接收板下侧级联接口，其中信号R_595EN，R_SFT_CLK，R_LCH_CLK，R_SDOUT，P68接口46为红外接收板右侧级联接口，其中的R_595EN_2，R_SFT_CLK_2，R_LCH_CLK_2，R_DAT2分别连接到图17中U13单元40，U10单元41，U12单元42的74HC14芯片的相应引脚。R_SIG_OUT，R_SIG_OUT_2分别连接到数字信号整形电路的R268，R270端。 

图19为单片机4与电脑连接接口。J2接口47用来连接单片机4的引脚与电脑USB信号接口。 

图20为与仪器主体分接的主控板与仪器主体上的电路接口的连接图。传感器主控板盒48上的接口有P1、P2、和P3、P4四个，其中传感器主控板盒48的接口P1和P2是与规格为28的红外接收板52的接口P67、P65相对接；而传感器主控板盒48的接口P3、P4则与规格为38的红外发射板49的接口P67、P68相对接。规格为28红外接收板52的接口P68是与规格为38的红外接收板51的接口P65相对接；规格为38的红外发射板49的接口P66是与规格为28的红外发射板50的接口P67相对接。 

规格为28的发射板50上有40个红外发射管，5片74HC595级联芯片，4片74HC14芯片。 

规格为28的接收板52上主要有40个红外接收管，5片74HC595芯片，3片74HC14芯片。 

规格为38的发射板49上主要有54个红外发射管，7片74HC595芯片，4片74HC14芯片。 

规格为38的接收板51上主要有54个红外接收管，7片74HC595芯片，3片74HC14芯片。 

本发明实施例的电路中各电路之间的接插口包含有以下一些： 

标号是15的红外发射管左侧入口P3，标号是16的红外发射管上侧入口P4， 

标号是17的红外接收管右侧入口P1，标号是18的红外接收管下侧入口P2； 

标号是19的红外发射管左侧入口P67，标号是20的红外发射管上侧入口P68， 

标号是29的红外发射管左侧级联接口P65，标号是30的红外发射管上侧级联接口P66； 

标号是31的红外接收管下侧入口P65，标号是32的红外接收管右侧入口P67； 

标号是45的红外接收管下侧级联接口P66，标号是46的红外接收管右侧级联接口P68。 

本发明的机械结构如下： 

图21所示的是电子单摆演示装置的正面立体图，它包括有一个直立的摆架53、一个悬挂在摆架53上的摆球55、一根做实验时不会伸长的摆线56和一个作为摆线悬挂固定装置的摆线控制器57，所述的摆线控制器57是一个供摆线穿过垂下的定位构件，它的内部有一个横向孔和一个竖直的中心孔，此两孔互通(未显示)，供摆线56穿过。所述的摆架53包含有上红外发射直条框架50、下红外接收直条框架52、左红外发射直条框架49和右红外接收直条框架51，并由这四条电子直条框架围拢固定形成，所述的电子围框的上直条框架50上设有一个调节摆线56长短的滑轮机构。在所述围框下部的下直条框架52上设有一个用以确定摆线摆角的弧线刻度盘54。摆架53是一个由上、下、左、右四条成为电子围框的直条框架通过四个角件63、64装配固定而成，它是一个四方直立的由红外线形成的二维红外坐标平面， 所述的用于连接固定四根直条框架形成一个直立四方二维红外坐标平面的四个角件中位于底下的两个64比位于上面的两个63要来得大而重。 

在所述的摆架的上直条框架50上固定有摆线滑轮机构，所述的摆线滑轮机构又包含有位于上直条框架中央位置的一个摆线控制器57，在位于上直条框架50边上的位置上固定有一个绕线滑轮58。在上直条框架50中空内腔的里侧壁面上设有一块向内凸起的厚肉平台(未显示)，该平台供绕线滑轮的螺杆轴60固定之用。在所说的上直条框架50的一个侧立面上固定有与立面相互垂直的一根螺杆轴60，在安装滑轮时，在此螺杆轴60上先套入所述的绕线滑轮58，然后再同轴套入一个紧固弹簧61，最后再套入一个调节螺母62。 

图22是本实施例的正面立体剖视图，显示上下左右四条直条框架内部的红外发射管和红外接收管的排列状况，竖直的两条直条框架49、51内布置有54个红外发射管65或红外接收管66；而水平横向布置的两条直条框架50、52内布置有40个红外发射管59或红外接收管67。 

图23是本实施例的后视立体图，它显示了一个调节摆线长短的滑轮机构和确定摆线摆角的弧线刻度盘54的布置状态。 

Claims (10)

1.一种电子单摆演示装置，它包括有一个直立的摆架、一个悬挂在摆架(53)上的摆球(55)、一根做实验时不会伸长的摆线(56)和一个摆线悬挂固定装置，其特征是：所述的摆架(53)包含有上红外发射直条框架(50)、下红外接收直条框架(52)、左红外发射直条框架(49)和右红外接收直条框架(51)，并由这四条电子直条框架围拢固定形成，所述的电子围框的上直条框架(50)上设有一个调节摆线(56)长短的滑轮机构；在所述围框下部的下直条框架(52)上设有一个用以确定摆线摆角的弧线刻度盘(54)，所述的电子电路部分包括主控板上的单片机(4)、其周边的外接电源(1)、电源电路(2)、横向红外接收模块(5)、纵向红外接收模块(7)、纵向红外发射模块(9)、横向红外发射模块(8)、储存模块(6)、以及电脑软件(3)和各电路接插口。

2.如权利要求1所述的电子单摆演示装置，其特征是：所述的红外发射模块包含有红外发射直条框架共两块，这两块直条框架上的电路布置形态是一样的，第一块是竖直布置的红外发射管直条框架(49)，其上有7块级联芯片74HC595芯片和54个红外发射管电路和4块74HC14数字信号整形芯片；而第二块是水平布置的红外发射管直条框架(50)，其上共有5块级联芯片74HC595芯片和4块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外发射管电路。

3.如权利要求1所述的电子单摆演示装置，其特征是：所述的红外接收模块包含有红外接收直条框架共两块，这两块上直条框架上的电路布置形态是一样的，第一块是竖直布置的红外接收管直条框架(51)，其上有7块级联芯片74HC595和54个红外接收管电路和3块74HC14数字信号整形芯片；而第二块是横向水平布置的红外接收管直条框架(52)，其上共有5块级联芯片74HC595和3块74HC14数字信号整形芯片，以及还有40个红外接收管电路。

4.如权利要求1所述的电子单摆演示装置，其特征是：所述的电气连接的盒体它是一个外挂的方形的盒体(48)，其内包含有控制整个***运行的主控板上的单片机芯片(4)，电源输入接口(10)，电源电路芯片(11)，存储模块(14)，与电脑通讯用的USB接口(47)，与两块红外发射管直条框架通讯用的两个接口(15)和(16)，与两块红外接收管直条框架通讯用的两个接口(17)和(18)。

5.如权利要求1所述的电子单摆演示装置，其特征是：所说的电源电路(2)是直流电压转换电路，D1芯片是DC-DC转换芯片(11)，它是把5v的直流电压转换为3.3v的直流电压的DC-DC转换芯片，型号是AS1117-3.3v。

6.如权利要求1所述的电子单摆演示装置，其特征是：所说的单片机(4)的型号是C8051F380芯片。

7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的电子单摆演示装置，其特征是：所述的各电路之间的接插口包含有以下一些：

标号是(15)的红外发射管左侧入口P3，标号是(16)的红外发射管上侧入口P4，

标号是(17)的红外接收管右侧入口P1，标号是(18)的红外接收管下侧入口P2；

标号是(19)的红外发射管左侧入口P67，标号是(20)的红外发射管上侧入口P68，

标号是(29)的红外发射管左侧级联接口P65，标号是(30)的红外发射管上侧级联接口P66；

标号是(31)的红外接收管下侧入口P65，标号是(32)的红外接收管右侧入口P67；

标号是(45)的红外接收管下侧级联接口P66，标号是(46)的红外接收管右侧级联接口P68。

8.如权利要求1所述的电子单摆演示装置，其特征是：摆架(53)是一个由上、下、左、右四条成为电子围框的直条框架通过四个角件(63)、(64)装配固定而成，它是一个四方直立的由红外线形成的二维红外坐标平面。

9.如权利要求1或8所述的电子单摆演示装置，其特征是：所述的电子围框的上直条框架(50)上设有一个调节摆线(56)长短的摆线滑轮机构，它包含有摆线滑轮(58)、螺杆轴(60)、紧固弹簧(61)、调节螺母(62)、位于上直条框架中央位置的一个摆线控制器(57)和用于固定螺杆轴(60)的厚肉凸台。

10.如权利要求1或8所述的电子单摆演示装置，其特征是：所述的用于连接固定四根直条框架形成一个直立四方二维红外坐标平面的四个角件中位于底下的两个(64)比位于上面的两个(63)要来得大而重。