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全球十大物理问题:寻找爱因斯坦第二
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全球十大物理问题:寻找爱因斯坦第二 十个与物理学相关的、适合中学生的研究性课题，为的就是在全球范围内寻找“爱因斯坦第二”。其中包括了“制造彩色的影子”、“自制自行车里程计”、“自制一个能测液体密度的杆秤”、“设计一个不受太阳位置变化影响的太阳灶”等。 “让我有一个彩色的影子”成为这十大问题之首。问题是这样的：每个人都有一个独一无二的影子，在印象中影子似乎只有一种黑色，世界上会有彩色的影子吗？如果有，它会是什么颜色呢？你是不是可以依照你自己的样子为自己设计出一个彩色的影子呢？ 昨天的光传递现场，相关负责人在接受记者采访时表示，其中有的课题在解题时有一定难度，因此学生并不一定能当场解答出来，目的是通过这样一种方式培养中学生对于物理学科的研究兴趣。 [其他九大问题] ■汽车都有里程表，自行车是不是也可以有一个，将自行车轮的每一次转动自动记录下来并将其转换成公里数呢，用什么方法可以方便地实现计数？无论用电子还是机械的方式，只要可以设计这样一个可供自行车使用的里程表，你和物理学的关系又向前迈进了一步。 ■一杆秤加一些小配件，你是否就可以设计制造出一杆能测液体密度的杆秤呢？ ■太阳能是一种绿色可再生能源，也越来越多地出现在人们的日常生活当中，但是相对太阳灶来说太阳的角度在不停地变化。不论太阳在什么位置都有一个同样的焦点的太阳灶，你是不是可以设计出来？ ■太阳能还可以用在家庭生活中的其他家电产品上，有没有办法设计一个只用太阳能提供各项能源的现代化家庭呢？ ■众所周知，我国的水资源非常紧缺，一个家庭要如何用水，用什么样的装置去节约用水才可以真正实现全社会的节约用水呢？ ■垃圾分类在日常生活中已经随处可见，但是通常都由人手工挑拣完成，能不能根据垃圾的物理特性而将这些垃圾区分开来呢？ ■不用电机、不用弹簧，怎样使一扇门自动关上呢？其实合理储蓄好开门时的能量，就可以完成这样一扇门，但是具体该如何储存这些能量呢？ ■手电筒不用电池就能发光，其中包含着很多物理原理，试着用发光二极管来设计这样一个神奇手电筒。 ■建筑工地上的吊车立柱升降大有学问，利用相关的知识来调节它的高度。 我 设计出来了 概述 传统的汽车转速里程表的功能有两个，一是用指针指示汽车行驶的瞬时车速，二是用机械计数器记录汽车行驶的累计里程。现代汽车正向高速化方向发展，随着车速的提高，用软轴驱动的传统车速里程表受到前所未有的挑战，这是因为软轴在高速旋转时，由于受钢丝交变应力极限的限制而容易断裂，同时，软轴布置过长会出现形变过大或运动迟滞等现象，而且，对于不同的车型，转速里程表的安装位置也会受到软轴长度及弯曲度的限制。凡此种种，使得基于非接触式转速传感器的电子式转速里程表得以迅速发展。 ２ 里程累计实现原理 车速里程表的速比表示的是：车速里程表转轴（软轴）在汽车行驶一公里时所转过的转数。基于单片机的车速里程表采用霍尔型非接触式转速传感器。这种车速里程表转轴每转一圈,霍尔传感器将感应发出８个脉冲。现在以速比为１:６２４的车型为例 汽车行驶一公里 则霍尔传感器发出的脉冲数共为８×６２４＝４９９２个,或者说,每个脉冲代表了１／４９９２公里的里程。将这些脉冲信号当作外部中断源输入给单片机，使每个脉冲产生一个中断,并通过中断服务程序对每个脉冲进行计数,这样，当计满４９９２时,表明汽车行驶了１公里,然后再给累计单元加一,并存入ＥＥＰＲＯＭ单元,最后通过刷新ＬＣＤ液晶显示器，即可实现里程计数功能。但在编程时要注意，ＭＣＳ－５１系列单片机的外部中断有两种触发方式，即电平触发和边沿触发，本设计选用边沿触发方式，即采用负跳变引起中断。 ３ 车速测量及指示原理 车速指示可采用双线圈汽车转速表头，它由空气轴表芯和驱动电路组成，空气轴表芯通常由三部分组成：磁铁、与转轴相连的指针和两个互成九十度的线圈。转轴是表芯唯一的可动部件，磁铁的转角总是趋向于两个线圈的磁场强度矢量的合成方向，磁场强度正比于加在线圈上的电压，因此，通过改变电压的极性和幅度，可在理论上使转轴组件在０～３６０度范围内转动。显然，只要能按一定的规律驱动两个线圈，就可以使指针偏转位置与输入量成线性关系，即满足下列公式： θ＝ＫＶｉｎ 其中θ为指针偏转角,单位为度; Ｋ为转角常数,单位为度／Ｖ; Ｖｉｎ是输入电压,单位为Ｖ。 每个线圈的磁场强度矢量之和必须跟随偏转角θ。考虑到转轴组件总是指向Ｈｓｉｎｅ和Ｈｃｏｓｉｎｅ这两个正交矢量之和的方向则其方向可由下式求得 θ＝ａｒｃｔａｎ Ｈｓｉｎｅ／Ｈｃｏｓｉｎｅ 并由此可以得出： θ＝ａｒｃｔａｎ ｓｉｎθ／ｃｏｓθ 由上述公式可见当Ｈｓｉｎｅ按θ的正弦函数变化，而Ｈｃｏｓｉｎｅ按θ的余弦函数变化时所得到的总磁场强度的方向与θ角的方向相同,由于转轴组件与磁场强度矢量和的方向相同,因此，指针将始终指向θ角的方向。 图１所示是ＬＭ１８１９驱动器的内部组成原理框图，它由电荷泵、整形器、函数发生器等组成输入的转速信号通过内部的三极管缓冲后，输入到电荷泵即可进行Ｆ／Ｖ频率电压转换，两个输出端按输入量的正弦和余弦函数变化,２脚和１２脚的最小驱动能力为±２０ｍＡ（±４Ｖ）,线圈的公共端接到１脚可为内部函数发生器提供反馈信号, 同时为５．１Ｖ齐纳二极管提供参考电压。在该电路中，Ｋ＝５４°／Ｖ,输入Ｖｉｎ实际上是４脚和８脚的电位差,８脚既是诺顿放大器的输出， 又是函数发生器的输入，一般４脚的电压是２．１Ｖ,所以有: θ＝Ｋ（Ｖ８－Ｖｒｅｆ)＝５４（Ｖ８－２.１） 由于Ｖ８是在２．１Ｖ～７．１Ｖ的范围内变化的,故ＬＭ１８１９可以驱动十字表头以使其在０°～２７０°范围内转动。 ４ 电路原理图 图２所示是一种汽车转速里程表的电路原理图。这是一个典型的单片机最小应用系统。单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１以其低价、低功耗、可靠性高和易于编程等特点著称，Ｘ２５０４５则是ＭＣＳ－５１系列单片机电路的一个辅助芯片，主要担当复位、电压检测、看门狗和ＥＥＰＲＯＭ功能，该芯片的采用大大提高了系统的可靠性，减少了外围芯片数，可实现里程累计的掉电存储。ＬＣＭ１０１０为十位八段式带背光液晶显示模块，采用三线串行接口，它具有功耗低和编程方便的特点。该显示共分两行显示，第一行６位显示累计里程，第二行４位（１位小数）用于显示小计里程。图中Ｋ１为小计里程清零键，Ｒ４用于调节液晶显示器的视角对比度。芯片Ｘ２５０４５是Ｘｉｃｏｒ公司推出的带有可编程μＰ监控器的ＣＭＯＳ串行ＥＥＰＲＯＭ，带有４０９６位，按５１２×８来组织。它具有４字节页写方式和１０万次使用周期，数据可保存１００年。为了保证累计里程单元的个位或小计单元的小数位可靠刷新，当这些单元接近极限使用周期时，可采取换页的办法来使这些数据移动到新单元以继续计数。 图2 霍尔传感器发出的脉冲信号经过整形可分成两路，一路送到单片机的ＩＮＴ１端用于累计里程计数，另一路送到ＬＭ１８１９驱动器的转速信号输入端（１０脚），然后由驱动电路根据输入信号的频率在２脚和１２脚输出相应的正弦和余弦驱动信号，十字线圈产生的磁场共同作用于磁铁可使转轴组件偏转相应的角度。但调整时要注意，电容Ｃ３的大小会改变表针偏转的平滑性，Ｃ３越大，平滑性越好，但同时时间迟滞也会加大，而Ｃ３过小会使表针抖动；Ｃ４可用于调整电路的线性和滞后误差；Ｒ４的值可以改变表针的指示刻度点。 ５ 结论 本设计以单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１来实现里程累计、小计、清零及存储，并以ＬＭ１８１９集成电路驱动十字线圈表头，从而实现了车速的指示。该设计方案成本低廉、指针稳定性好、响应速度快、抗震性强、可靠性和性价比都很高。经实际使用证明，该里程表完全可以取代传统的以软轴驱动的车速里程表。当然，这只是一种实现方案，也可以由单片机通过软件来驱动十字线圈表头，即由单片机分别控制表头的正弦线圈和余弦线圈而省去ＬＭ１８１９集成电路。对此，此处不再赘述。 |
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