無線加速度計(jì)在超重失重實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

陳銳鴻吳先球①

指導(dǎo)教師：吳先球(1968-)，男，博士，教授，主要從事信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用等研究.

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院廣東 廣州510006)

摘 要：用傳統(tǒng)的指針式儀器演示超重、失重時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝,不易觀察.利用MPU6050和2.4G無線技術(shù)實(shí)時(shí)采集加速度值并將其可視化，以實(shí)時(shí)圖像、生成數(shù)據(jù)表供用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

關(guān)鍵詞：超重失重加速度計(jì)無線

作者簡介：陳銳鴻(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)與教學(xué).

收稿日期：(2015-05-04)

1引言

傳統(tǒng)的超重、失重實(shí)驗(yàn)多以指針式儀器標(biāo)示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如體重計(jì)、彈簧測力計(jì)等.其特點(diǎn)是直觀、簡便，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，而且多數(shù)超重、失重實(shí)驗(yàn)中加速度變化劇烈，這就導(dǎo)致了指針擺動(dòng)頻繁，不易于學(xué)生觀察[1].筆者開發(fā)了一套無線數(shù)字加速度計(jì)，現(xiàn)介紹其在超重、失重探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.比起傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生站立在體重計(jì)上起立、下蹲，無線實(shí)時(shí)傳輸使得演示實(shí)驗(yàn)效果更佳，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有利于分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律，適合學(xué)生開展探究實(shí)驗(yàn)，深刻理解物理規(guī)律.

2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

2.1儀器結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端.按系統(tǒng)功能分為3個(gè)模塊：2.4G無線傳輸模塊、加速度采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊.硬件搭建好后，用KeilC編寫相應(yīng)模塊的程序.

圖1　無線加速度計(jì)的系統(tǒng)框圖

(1)2.4G無線模塊包括NRF24LE1芯片和NRF24L01+STC11L04芯片.NRF24LE1負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)MPU6050采集加速度并且將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端(NRF24L01+STC11L04)，再將數(shù)據(jù)通過串口傳入PC機(jī).

(2)數(shù)據(jù)處理模塊由PC機(jī)和LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)成.LabVIEW是一個(gè)圖形化編程環(huán)境，能方便地將數(shù)據(jù)以波形圖的方式呈現(xiàn).設(shè)計(jì)了暫停、調(diào)整游標(biāo)查看歷史記錄、生成數(shù)據(jù)表(圖5)等功能，滿足作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的需要.

(3)加速度采集模塊由MPU6050芯片構(gòu)成，該模塊含有3軸MEMS加速度器.每軸各有一個(gè)16位AD采集器，精度較高，加速器的程式可控感測范圍為±2g,±4g,±8g與±16g[2].

2.2加速度計(jì)采集原理

常見的MEMS加速度計(jì)的感測部分主要由執(zhí)行器(質(zhì)量塊)、可動(dòng)臂、固定臂、感應(yīng)器與限位器組成，可動(dòng)臂與固定臂形成平板電容，通過測定可動(dòng)臂電壓即可測定加速度[3].MPU6050的3軸加速度器感測輸出結(jié)果可以用圖2來類比說明，此時(shí)z軸豎直向上.以灰色小球代表質(zhì)量塊與可動(dòng)臂，以立方體盒子代表除此以外的芯片殼體.

當(dāng)芯片處于完全失重時(shí)，z軸輸出結(jié)果為零，如圖2(a)所示.當(dāng)芯片相對(duì)地面靜止，外界有一個(gè)重力場時(shí)，z軸輸出結(jié)果為1g，如圖2(b).當(dāng)芯片以加速度g向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出結(jié)果為1g，如圖2(c).當(dāng)在重力場中測定芯片的加速度時(shí)，需要對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行定標(biāo)，即減去1g.

圖2　 MPU6050的感測輸出結(jié)果

2.3LabVIEW數(shù)據(jù)處理

通過LabVIEW的VISA功能讀取串口字節(jié)數(shù)據(jù)，如圖3.

再將加速度數(shù)據(jù)還原為16位整型數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為人們熟悉的加速度值，存入表格和波形圖表顯示，如圖4.時(shí)間數(shù)據(jù)由NRF24LE1進(jìn)行軟件延時(shí)并由定時(shí)器計(jì)算得到.

圖3　 LabVIEW讀取串口數(shù)據(jù)

圖4　數(shù)據(jù)處理與顯示

3應(yīng)用——人下蹲起立時(shí)的超重失重實(shí)驗(yàn)

人在地面上只受到重力和地面對(duì)人的支持力，且兩力方向相反，所以判斷人的加速度即可判斷地面對(duì)人的支持力與人的重力的大小關(guān)系.加速度計(jì)采集發(fā)射端由手水平持住并與人體相對(duì)靜止.人下蹲后靜止,接著起立，運(yùn)動(dòng)加速度情況如圖5.

圖5　人下蹲起立時(shí)的加速度

以向上為正方向，可以直觀地看出下蹲過程中人先失重后超重，起立時(shí)人先超重后失重.細(xì)致直觀的數(shù)據(jù)，有助于糾正部分學(xué)生“向下運(yùn)動(dòng)失重、向上運(yùn)動(dòng)超重”的思維誤區(qū)，分清稍微復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)情景,“下蹲時(shí)速度方向向下，但是速度大小是由零開始增大接著再減小為零，所以加速度方向是先向下后向上.”

4小結(jié)

該無線加速度計(jì)硬件成本低，其采集數(shù)據(jù)可視化、無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，適合進(jìn)行超重、失重演示實(shí)驗(yàn)或者探究實(shí)驗(yàn).傳統(tǒng)上由理論推導(dǎo)的加速度與超重、失重的關(guān)系，可以藉此儀器讓學(xué)生深刻體會(huì)，圖像和數(shù)據(jù)的引入使得學(xué)生更加容易觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.應(yīng)當(dāng)指出，本加速度計(jì)是針對(duì)超重、失重實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，只采集單軸加速度，如果進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)，應(yīng)視具體情況進(jìn)行改進(jìn).

參 考 文 獻(xiàn)

1人民教育出版社.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·必修1.北京:人民教育出版社,2010.86～87

2InvenSense Inc.MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification.[EB/OL]. CA 94089 U.S.A: InvenSense Inc, 2013[2015-1-3].http://www.invensense.com

3王文濤.單軸硅微加速度傳感器的原理與電路設(shè)計(jì).傳感器技術(shù),2005(14):92～93