基于无线模块和Visual Basic的仿真演示实验设计——以牛顿第二定律实验为例

基于无线模块和Visual Basic的仿真演示实验设计——以牛顿第二定律实验为例
许陵;施莉莉
密胺粉
【摘 要】铝合金切削油介绍了基于无线模块和Visual Basic仿真演示实验设计的功能.并以牛顿第二定律实验为例,利用霍尔传感器将实验物理变量的变化转换成电脉冲信号并通过无线模块发射.利用USB无线模块接收将信号输入计算机,然后控制Visual Basic设计的演示实验的仿真界面,实现仿真界面与演示实验同步进行.
【期刊名称】《泉州师范学院学报》
【年(卷),期】2013(031)002
【总页数】5页(P57-60,69)
【关键词】无线模块;Visual Basic软件;演示实验;仿真;牛顿第二定律
【作 者】许陵;施莉莉
【作者单位】漳州师范学院教育科学与技术系,福建漳州 363000;漳州师范学院教育科学与技术系,福建漳州 363000
无线开关【正文语种】中 文
【中图分类】G40-057
演示实验是教学的重要组成部分,但是很多传统的演示实验都存在可见度过低的问题.有的是实验仪器尺寸不够大,有的是实验数据只能近距离观察而导致后面的学生无法观察到,有的是演示现象的变化量太微弱而难以捕捉[1].计算机仿真实验虽然解决上述问题运用广泛,但其真实性不强.如果把演示实验数据输入到计算机进行实时仿真,便可以达到在计算机上并通过投影机的大屏幕看到与真实的演示实验同步的仿真实验,从而提高实验的演示效果和真实性[2].本文以“牛顿第二定律”为例,简述改进实验的原理(如图1),设计电路同时结合Visual Basic 编程,完整地模拟再现这个实验.
图1 原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle
1 实验方法和数据采集与传输
根据牛顿第二定律F=Ma,F的物体受到的合外力,M 是物体的质量,a 是物体的加速度.由于F=m2g 和M=(m1+m2)可以预先测得,所以只要测量a,就能验证牛顿第二定律.加速度a的测量原理如下:
根据匀变速直线运动物体的速度、加速度和距离之间的关系公式:
其中:V1、V2是瞬时速度.当ΔS 满足一定条件时,这两个变量可通过公式:
计算得到,即V1=ΔS1/ΔT1;V2=ΔS2/ΔT2.而S,ΔS1,ΔS2,…,ΔSn可以定为常量,且ΔS1=ΔS2=…=ΔSn.最终得到加速度的测量公式:
因此,只要采集ΔT1,ΔT2,…,ΔTn这些变量数据,就能通过式(2)得到V1,V2,…,Vn.任取两个V,根据式(3)得到加速度,进而验证牛顿第二定律F=Ma.
1.1 实验方法
测量原理如图2 所示.采集电路利用一块霍尔传感器A44E 和多片磁钢实现的,霍尔传感器相当于磁控开关,当经过磁钢时,输出电压会发生变化.
图2 测量原理图Fig.2 Principle diagram of measuring36ai
检测时间示意图如图3 所示.在非磁材料的小车底部粘贴一块霍尔传感器,将小车安放于固定的轨道轴上,多片磁钢固定在轨道中间,小车做匀加速直线运动时,经过ΔS1两端和ΔS2两端时,霍尔传感器便输出多个脉冲,通过记录这些脉冲,便可知道时间ΔT1、ΔT2.由于牛顿第二定律是针对运动物体,为了保证实验精度,本设计采用非接触式采集和无线传输.
图3 检测时间示意图Fig.3 Schematic diagram of detection time
1.2 数据采集与传输电路
数据采集与传输电路如图4 所示,由供电、信号采集发射、信号接收三部分组成.
供电部分:小车上载有电池E 分别给霍尔传感器A44E、比较器LM393 和无线发射模块供电.
信号采集发射部分:当小车运动,霍尔传感器A44E 产生高低电平的变化信号,经3 脚输出,R3 是3脚的上拉电阻;信号由比较器LM393的2 脚输入,与3 脚基准电平(1/2 E)比较后,
经整形放大反相后,由1 脚输出.R1、R2 为分压电阻;发射模块接收信号后,将信号调制在2.4 GHz 后发射出去[3].
信号接收部分:安装在计算机USB 接口的接收模块可以在≤10 m的范围内接收到信号并传递给Visual Basic 程序处理[4].
图4 数据采集与传输电路图Fig.4 Data acquisition and transmission circuit diagram
2 程序设计
程序结构流程如图5 所示,主要由三部分组成.
图5 程序结构流程图Fig.5 Flow chart of program structure
2.1 主界面
主界面如图6 所示,在界面上可以看到有一排菜单栏,各个菜单里有各自的二级菜单.在菜单下面依次为信号示波器和速度控件,右下角有一个显示当前时间的标签控件(ShowTime)和一个显示当前传感器接收端是否已经插入的标签控件(PortState).当窗体被载入的时候,
最先激活窗体的装载事件(Load),在此期间将会初始化这些控件的大小、位置.也就是设计时摆放的位置并不影响程序运行后各个控件所处的位置.
无边界网络图6 主界面及平衡摩擦力图Fig.6 Main interface and the friction is trying to balance
计时器控件ReflashTime:当窗体运行时,ReflashTime 每隔1 s 激活一次,向ShowTime 中写入当前的日期和时间.
计时器控件IfDriverIn:当信号接收器未插入时,IfDriverIn 以10 次/s的速度扫描直到发现信号接收器插入,而后以1 次/s的速度扫描是否拔出接收器.接收器是否插入可以在标签控件PortState 中直观的看到.
开始抓取信号:当这个按钮按下时,如果满足以下二个条件:①信号接收器已经插入;②HookHandle不为零则调用系统的API 函数SetWindowHookEx 来对输入系统的时间进行过滤,同时将返回的Hook 句柄存入HookHandle 里.
此时,如果无线接收器收到一个低电平Down,则会向信号示波器的SignalIn 写入“1”;当无线接收器收到一个高电平Up 时,向速度控件写入“0”,并向速度绘制控件的SignalIn 写入
当前系统已经开机时间.也就是说,这个程序是以信号的下降沿作为信号的获取点.
停止抓取信号:当HookHandle 为零时,按钮不起作用;当HookHandle 不为零时,则调用系统的API函数UnHookWindowsHookEx 卸载掉过滤系统输入的Hook.
绘制速度曲线:按下时,首先调用UnHookWindowsHookEx,紧接着如果获取信号的坐标点数大于1则进行数据的线性拟合.并且利用所拟合出的函数绘制一条红的线性曲线.于此同时,在图像右上角的框中显示出拟合曲线的函数解析式,即速度方程:V=αT+β.
2.2 信号示波器
信号示波器是实验程序的一个模块,用来检测小车发送的脉冲信号,同步模拟小车的运动轨迹.界面如图6 所示,内部包含一个图片框控件(Picture Box)、一个计时器控件(Timer)、两个标签控件(Label)和一个框架控件(Frame).控件可以由VB 窗体左边的工具箱中拖放到设计界面上,并且在用户控件(User Control)的初始化(Inint)事件中对这些控件的位置、大小予以定义.
2.3 速度、时间界面
速度、时间界面如图6 所示,也是实验程序的一个模块.
数据列表:数据列表(List Box)列出当前由脉冲信号转换得到的速度,时间的数据.metal dome
速度、时间图像:根据数据列表的数据,动态绘制V-t 图的坐标轴、坐标轴分量的宽度.同时,检测探测的速度大小和时间,如果超过了各个轴的最大值,则会重新计算坐标分量,以确保程序所绘制的(V,t)坐标均落在可视区域.
内部控件属性:IfCalc 是否对当前列表里的数据进行线性拟合,为“1”时拟合.ClsData 是否清除当前列表里的数据,“1”为清除.SignalIn 输入的数据.V_T_Count 当前列表中的数据数量.V_T_Index 输出的列表数据序号.V_T_Data 当V_T_Index 大于0 且小于V_T_Count,返回列表数据.V_T_Function 返回当前数据的拟合函数解析式.SignalIn 将输入的信号依次存入TimeTrack(0)…TimeTrack(99)中.

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