基于STM32的向心力探究演示仪的研制

列晓东

(广州市第十六中学，广东 广州 510080)

基于STM32的向心力探究演示仪的研制

列晓东

(广州市第十六中学，广东 广州 510080)

自制了基于STM32的向心力探究实验仪，介绍了该实验仪的实验原理和软硬件设计，并对其性能进行了测试，其结果误差范围满足实验要求.

向心力；STM32单片机；LabVIEW；直流电机

向心力是学生学习圆周运动中的核心概念，也是学生以后学习并运用万有引力定律解决天体运动问题的基础. 目前对向心力的定量探究实验研究相对较少，如在粤教版教材中，通过小物块细绳绕着圆珠笔筒旋转的例子，让学生用手感受绳子的拉力大小[1]；在人教版教材中，则是先通过速度的矢量图求得向心加速度，再由牛顿第二定律理论推导求得向心力[2]. 实际教学所采用的向心力演示仪(JY136型)也是以定性研究为主，而用圆锥摆粗略验证向心力表达式的实验在实际操作中也存在较大误差[3]. 因此，笔者设计了基于STM32的向心力演示仪，定量探究向心力大小.

1 系统设计

图1 基于STM32的向心力探究演示仪原理图

基于STM32的向心力演示仪的原理图如图1所示. STM32根据上位机指令，分别控制直流电机1和直流电机2的转动，从而改变小球做圆周运动的转动半径和周期. 同时，STM32通过力传感器、光电门、位移传感器，分别采集向心力、周期、转动半径3个物理量的具体数值，并传送到上位机进行数据处理.

2 硬件设计

演示仪的硬件设计如图2所示. 直流电机2通过水管带动小球做匀速圆周运动. 通过调节驱动电机的PWM信号占空比，可以调节小球的转速. 上方可动支架固定在抽屉滑轨上，通过调节直流电机1可以让支架上下移动，从而调节小球转动半径. 光电门2和3负责对支架的限位，避免直流电机1发生堵转. 需要指出：绑小球的细线需要选用韧性较大的鱼丝线，这样有助于带动8字环万向器转动，可减小因小球高速转动而导致的细线形变，以及细线旋转扭曲而造成的误差；水管另一端固定1个小球来保持平衡，可减小因水管旋转而造成的晃动.

(a)结构图

(b)实物图图2 演示仪装置图

演示仪含3个由STM32驱动的传感器. 光电门用于测量小球转动的周期；力传感器用于测量向心力的大小； 小球的转动半径直接测量比较

困难，此处由位移传感器间接测出. 位移传感器测半径原理如下：忽略细绳因小球旋转所引起的伸长量变化，设定细绳在小球旋转过程中绷直时的长度为R，位移传感器所测得的高度值为H. 可动支架下降ΔH，则小球的转动半径R会增加ΔH. 因此只要事先测出初始状态下的H和R，求两者之和S，则调整后的半径R′=S-H′.

3 软件设计

下位机STM32主程序如图3所示，主要有3个功能，分别是“调整半径”、“调整周期”、“采集数据”，STM32根据上位机所发指令选择相应功能. 在“采集数据”中，STM32分别将采集到的周期信号T、半径信号R、向心力信号F，经过30次累加后求平均值，再通过串口将数据传送到上位机中进行处理.

图3 STM32主程序流程图

演示仪的上位机用LabVIEW编写，其界面如图4所示，主要有4个部分：视频窗口区、控制区、数据采集区和数据处理区. 视频窗口区用于监控实验现场图像. 控制区用于控制仪器的状态，其中“R控制旋钮”和“T控制旋钮”分别对转动半径和周期进行调整，两者均有5挡可选；“停止”可让小球停止转动，“复位”可让半径复位到开机状态位置；“向上、向下微调”可对转动半径进行微小调整.

(b)转速不变时，F-R拟合效果图4 演示仪界面

数据采集区负责采集向心力、周期、半径数据. 当小球开始转动时，点击“读取”，采集到的数据会在“实时数据”中显示；当数据稳定时，点击“记录数据”将数据填充到左边表格中. 通过改变半径或转速，可以记录5组不同的数据. 若某一组数据误差比较大，可以点击“上一组”或“下一组”选择该组，点击“记录数据”可更新数据. 点击“清空数据”可清空表格中所有记录.

数据处理区负责对采集到的数据进行处理. 上位机提供了“研究F向与T的关系”和“研究F向与R的关系” 2套实验数据处理方案. 在 “研究F向与T的关系”方案中，有T-F,F-T-1,F-T-2等拟合图像可选；在“研究F向与R的关系”方案中，有F-R,F-R-1,F-R-2等拟合图像可选. 学生选择了相应的图像后，点击“描点”和“作图”后会得到相应的拟合图.

4 仪器的性能测试

为了测试仪器的性能，通过保持转动半径不变，调整转速，分别记录周期、向心力大小；然后保持周期不变，调整半径，分别记录半径、向心力大小，然后将数据直接通过数据处理软件Origin7.5进行处理，其测量数据如表1所示.

表1 测量数据

根据1～5组数据作出F-T-2图像，如图5(a)所示，F与T-2大致成线性关系，根据6～10组数据作出F-R图像，如图5(b)所示，F与R大致成线性关系. 因此，该演示仪性能符合设计要求.

(a)R不变时，F-T-2拟合图像

(b)T不变时，F-R拟合图像图5 拟合图像

5 使用建议

[1] 广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组. 普通高中课程标准实验教科书·物理(必修Ⅱ)[M]. 广州:广东教育出版社,2010.

[2] 人民教育出版社课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书·物理(必修Ⅱ)[M]. 北京:人民教育出版社,2010.

[3] 张前军. 向心力演示仪的改进[J]. 物理实验，2010,30(12):18-20.

[责任编辑：尹冬梅]

Centripetal force experimental device based on STM32

LIE Xiao-dong

(No.16 Middle School of Guangzhou, Guangzhou 510080, China)

A device of centripetal force based on STM32 single chip was made. The experimental principle, the designs of the software and hardware were introduced in detail. The characteristics of the device were measured, and the error range of the results could meet the experimental requirements.

centripetal force; STM32 single chip; LabVIEW; DC motor

2016-12-07

广州市教育科学“十二五”规划2014年课题(No.1201430781)

列晓东(1989-)，男，广东增城人，广州市第十六中学高中部教师，硕士，从事物理实验教学工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)04-0059-04