可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统

摘要

本发明可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，在单摆装置底座的支架立柱旁设置有测量摆长的直尺以及可调节摆长的单摆螺旋轴，可以调节摆幅的单摆机械手与螺旋轴联动连接，摆球静置在单摆机械手上，支架立柱上部设置单摆光电计数器，设置于底座的步进电机分别连接单摆螺旋轴、单摆机械手、摄像头、电机控制器，安装了单摆实验监控站点软件的单片机连接着电机控制器、单摆光电计数器、报警装置和安装了嵌入式Web服务器软件的Web服务器，Web服务器还连接着摄像头和安装了JRE软件的用户浏览器，单片机与Web服务器之间采用I

说明书

技术领域

本发明涉及力学测量，具体是重力加速度的测量，更具体是可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统。

背景技术

普通大学物理实验单摆测重力方法：一根不能伸缩的细线，上端固定，下端悬挂一个重球，当细线质量比重球质量小很多，而且球的直径又比细线的长度小很多时，就可以把重球看作是一个不计细线质量的质点。如果把悬挂的小球（摆球）自平衡位置拉至一边（保持摆角                                                <5°），然后释放，摆球即在平衡位置左右作周期性摆动，这种装置称为单摆。

摆球所受的力f是重力P和绳子张力的合力，指向平衡位置。当摆角很小时（<5°），圆弧可以近似看成直线，合力f也可以近似地看做沿着这一直线。设小球的质量为m，其质心到摆的支点的距离为L（摆长），小球位移为x，则

    由公式（2）可知单摆在摆角很小时，质点的运动可以近似地看作简谐振动，我们又知，简谐振动的动力学方程可归结为

           

比较式（2）和式（3）可得单摆简谐振动的圆频率为

于是单摆的运动周期为

                  

若测得L、T，代入式（4）即可求得当地的重力加速度g。若测出不同摆长L_i下的周期T_i，作T_i²-L_i图线，由直线的斜率可求出当地的重力加速度g。

实验时，测量一个周期的相对误差较大，一般是测量连续摆动n个周期的时间t ，则T=t/n，因此

式中的n不考虑误差，因此上式的误差传递公式为

               

然而，这样实验只能在实验室进行。由于中国人口众多，地区之间的差异比较大，教育和学习资源分布不均衡，远程实验教学让经济、教育落后地区的人们也能和发达地区的人们一样享有最好的教育和学习资源，得到最好的学习支持服务。

发明内容

本发明的目的是提供可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统。该系统是远程操作实验装置，能够使客户（学生）可以通过远程登录我们的系统，直接操控真实实验。

本发明可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，在单摆装置底座的支架立柱旁设置有测量摆长的直尺以及可调节摆长的单摆螺旋轴，可以调节摆幅的单摆机械手与螺旋轴联动连接，摆球静置在单摆机械手上，支架立柱上部设置单摆光电计数器，设置于底座的步进电机分别连接单摆螺旋轴、单摆机械手、摄像头、电机控制器，安装了单摆实验监控站点软件的单片机连接着电机控制器、单摆光电计数器、报警装置和安装了嵌入式Web服务器软件的Web服务器，Web服务器还连接着摄像头和安装了JRE软件的用户浏览器，单片机与Web服务器之间采用I²C 协议，Web服务器与浏览器之间采用TCP/IP协议。

其中：单片机选自STM32F103RBT6、STC89c52RC、AT89C52、ATMEGA8、ATMEGA16、ATMEGA128。

Web服务器硬件选自友善之臂公司的mini2440或mini6440开发平台。

嵌入式Web服务器软件部分包括系统初始化引导程序bootloader、基于Linux 2.6.18嵌入式Linux操作系统内核Linux 2.6.18kernel、文件系统、USB摄像头驱动、网络驱动、、串口驱动、Web服务器（boa）、SQLite嵌入式数据库，以及在这基础上的应用程序danbai.html。

单摆实验监控站点软件包括读取单摆的摆长、位移、单摆次数、时间的模块，实现单片机与Web服务器的I²C通信协议及串口通信的模块，控制可控移动摄像头和电机驱动的模块，以及实现报警功能的模块。

单片机与WEB服务器间的I²C通信协议采用命令＋控制字的方式，下传指令结构形式为：数据头+地址+命令字节+结束字节，具体指令包括复位、摆启动、摆停止、摆长加、摆长减、摄像头左、摄像头右、摄像头上、摄像头下、上位机读摆动次数、上位机读摆动时间；上传数据结构形式为：数据头+地址+双字节数据+结束字节，具体包括单片机回传次数数据、单片机回传时间数据。

本发明的可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统，在应用操作实验过程中，首先用户通过浏览器发送实验命令，该命令通过网络下发到WEB服务器后，服务器再解析提取有用数据并封装为I²C的数据将其传送到单片机，单片机接收到该数据后，判断命令类型，然后通过的单片机来控制步进电机，调整好单摆的螺旋轴和机械手，其中螺旋轴主要用于调整摆线的长度，由单片机控制步进电机的步距得到，进而计算得到单摆的摆线长度；机械手用于起动摆球或停止摆球。即通过机械手将摆球调整到一个角度，启动单摆实验命令，此时机械手将摆球释放，摆球开始左右来回运动。单片机通过读取光电计数器获得单摆摆线来回经过的次数，同时开始启动定时器计算摆球摆动时间、读取直线的长度，并将该参数封装成为I²C 协议的数据，将其传送到WEB服务器中的嵌入式硬件平台，在该平台中通过内部接口将I²C的数据打成TCP/IP传输的数据包，通过网络发送到用户的浏览器端，浏览器端接收到后再将命令解析，将相关参数在网页上显示出来，实时展现给用户查看，从而完成整个应用操作过程。

实验完毕后，通过浏览器发送停止命令，该命令通过网络下发到WEB服务器后，服务器再解析提取有用数据并封装为I²C的数据将其传送到单片机，单片机接收到该数据后，判断命令类型，通过机械手停止摆球的运动，同时停止定时器和计数器，将采集到的数据再返回给浏览器端，从而完成双向控制过程。

与上述类似，在该过程中，用户通过浏览器发送命令，调整可调整摄像头的位置和距离，从而可以观察到实验过程，从而获得现场操作效果。

由上述操作过程可知，用户无需现场干预，利用网络进行远程操作，即可享受优质资源的实验。

本发明中的单片机（可以是STM32F103RBT6等不同型号的单片机），负责将单摆的相关参数如摆长、周期、位移等以I²C通信方式发送到嵌入式WEB服务器，WEB服务器再将该参数以TCP/IP协议传送至各客户端浏览器；同时WEB服务器将USB摄像头采集到的单摆实验的实时操作图像同样以TCP/IP传送至电脑端浏览器，在浏览器上通过发送电机控制指令，可以将其通过WEB服务器接收后再控制电机以调整USB摄像头的距离、角度等，以达到一个合适的位置，进而实现单摆实验的远程监视和控制操作，实现网络资源共享。

本发明中，为了实现单摆测量的远程控制，单片机与嵌入式WEB服务器间的I²C通信协议的通信协议的格式具体如下表所示：

 

附图说明

图1：本发明的系统结构示意图；

图2：单摆装置示意图；

图3：嵌入式Web服务器软件结构示意图；

图4：浏览器界面截图。

 

具体实施方式

   实施例

可远程控制的单摆法测量重力加速度的系统见图1，单摆装置见图2。

其中：单片机为STM32F103RBT6。

Web服务器硬件选用友善之臂公司的mini2440开发平台。

嵌入式Web服务器软件部分包括系统初始化引导程序bootloader、基于Linux 2.6.18嵌入式Linux操作系统内核Linux 2.6.18kernel、文件系统、USB摄像头驱动、网络驱动、、串口驱动、Web服务器（boa）、SQLite嵌入式数据库，以及在这基础上的应用程序danbai.html。

danbai.html包括Spcaserv服务器、动态网页交互、V4L、MJPGE、TCP、CGI程序、Java  Apple、摄像头电机控制、UDP、串口收发数据、视频数据。

单摆实验监控站点软件包括读取单摆的摆长、位移、单摆次数、时间的模块，实现单片机与Web服务器的I²C通信协议及串口通信的模块，控制可控移动摄像头和电机驱动的模块，以及实现报警功能的模块。

单片机与WEB服务器间的I²C通信协议采用命令＋控制字的方式，下传指令结构形式为：数据头+地址+命令字节+结束字节，具体指令包括复位、摆启动、摆停止、摆长加、摆长减、摄像头左、摄像头右、摄像头上、摄像头下、上位机读摆动次数、上位机读摆动时间；上传数据结构形式为：数据头+地址+双字节数据+结束字节，具体包括单片机回传次数数据、单片机回传时间数据。

由于Web服务器端的Web页面包括Java Applet插件，要在远程客户端浏览器看到视频，客户端需要安装JRE（Java RunTime Envirment）软件，JRE是一个运行、测试和传输应用程序的 Java 平台。它包括Java虚拟机、Java平台核心类和支持文件。JRE可用于的IE浏览器有Netscape Navigator和Microsoft Internet Explorer(Windows系统自带浏览器)。当用户在IE浏览器地址栏上输入Web服务器地址，通过身份确认后就可以实现远程实时视频监控了。

在身份确认过程中主要对登陆用户输入的用户名和密码进行认证，确认该用户为合法用户，则由系统自动将该客户端连接到一台WEB服务器硬件平台，通过与该平台连接的USB摄像头，在登录后软件将自动启动USB摄像头视频传输功能，将单摆实验的硬件平台及控制设备的操作场景传送到浏览器端供用户查看(见图4)。用户针对不同场景通过浏览器端的相关控制命令去调整摄像头的角度，开启单摆，调整摆长、读取摆长、摆动时间、次数等参数。完成实验后，系统会自动保存该用户操作过程的所有参数及记录，方便管理员或教师进行查询和登记成绩，从而完成整个系统的应用操作过程，提高了实验效率、共享了优质资源，真正实现教学现代化。