一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 210777427 U(45)授权公告日 2020.06.16

(21)申请号 201920562776.0(22)申请日 2019.04.24

(73)专利权人 曲靖师范学院

地址 655011 云南省曲靖市经济开发区三

江大道曲靖师范学院(72)发明人 陶淑芬　李道勇　房晗　夏荣鑫　

秦顺贵　(74)专利代理机构 成都方圆聿联专利代理事务

所(普通合伙) 51241

代理人 曹少华(51)Int.Cl.

G09B 23/14(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图2页

CN 210777427 U(54)实用新型名称

一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪

(57)摘要

本实用新型公开了一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，包括水槽、振子、控制电路板、木架、调节电位器和步进滑台；控制电路板包括继电器控制电路板、电机控制板和频闪控制电

滑台和步进电机；木架路板；步进滑台包括导轨、

包括上台板、下台板和四条支撑腿；四条支撑腿的顶部垂直设置于上台板的底部，四条支撑腿的底部垂直设置于下台板的顶部，步进滑台设置于木架的顶部，振子滑动设置于步进滑台上，控制电路板设置于木架的下台板的顶面，调节电位器设置于木架上台板的侧面，水槽设置于步进滑台的侧部，相互分离.解决了现有多普勒效应演示中存在的装置复杂、庞大或者现象不直观不明显的缺陷。

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1.一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，其特征在于，包括水槽(1)、振子(2)、控制电路板(6)、木架(3)、调节电位器(4)和步进滑台(5)；所述控制电路板包括继电器控制电路板、电机控制板和频闪控制电路板；所述步进滑台(5)包括导轨、滑台和步进电机，所述木架(3)包括上台板、下台板和四条支撑腿；所述四条支撑腿的顶部垂直设置于上台板的底部，所述四条支撑腿的底部垂直设置于下台板的顶部，所述水槽(1)设置于步进滑台(5)的侧面，所述步进滑台(5)设置于木架(3)的顶部，所述振子(2)滑动设置于步进滑台(5)上，所述控制电路板(6)设置于木架(3)的下台板的顶面，所述调节电位器(4)设置于木架上台板的侧面。

2.根据权利要求1所述的基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，其特征在于，所述继电器控制电路板包括单片机U1、三极管、稳压芯片U4、晶振、二极管、电源输入接口、电解电容、程序下载端口、12V电源、机械振动线圈和滑动变阻器；所述单片机U1的型号为STC15W408AS-16，所述稳压芯片U4的型号为7805，所述单片机U1的第8引脚分别连接电解电容C5的负极和地，所述单片机U1的第14引脚连接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的集电极分别连接二极管D1的正极和机械振动线圈的一端，所述二极管D1的负极分别连接12V电源和机械振动线圈的另一端，所述单片机U1的第9引脚连接程序下载端口JP1的第2引脚，所述单片机U1的第10引脚连接程序下载端口JP1的第3引脚，所述程序下载端口JP1的第4引脚连接地，所述单片机U1的第15引脚分别连接电解电容C1的正极和滑动变阻器Q3的滑动端，所述滑动变阻器Q3的一端连接地，所述电解电容C1的负极连接地，所述12V电源连接稳压芯片U4的第1引脚，所述稳压芯片U4的第2引脚连接地，所述稳压芯片U4的第3引脚分别连接程序下载口JP1的第1引脚、电解电容C5的正极、单片机U1的第6引脚和滑动变阻器Q3的另一端，所述12V电源连接电源输入接口J1的第1引脚，所述电源输入接口J1的第2引脚连接地。

3.根据权利要求1所述的基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，其特征在于，所述频闪控制电路板包括单片机U2、三极管、稳压芯片U5、晶振、二极管、电源输入接口、电解电容、程序下载端口、12V电源、频闪灯和滑动变阻器；所述单片机U2的型号为STC15W408AS-16，所述稳压芯片的型号为7805，所述单片机U2的第8引脚分别连接电解电容C6的负极和地，所述单片机U2的第14引脚连接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接三极管Q2的基极，所述三极管Q2的集电极分别连接二极管D2的正极和频闪灯的一端，所述二极管D2的负极分别连接12V电源和频闪灯的另一端，所述单片机U2的第9引脚连接程序下载端口JP2的第2引脚，所述单片机U2的第10引脚连接程序下载端口JP2的第3引脚，所述程序下载端口JP2的第4引脚连接地，所述单片机U2的第15引脚分别连接电解电容C2的正极和滑动变阻器RV的滑动端，所述滑动变阻器RV的一端连接地，所述电解电容C2的负极连接地，所述12V电源连接稳压芯片U5的第1引脚，所述稳压芯片U5的第2引脚连接地，所述稳压芯片U5的第3引脚分别连接程序下载口JP2的第1引脚、电解电容C5的正极、单片机U2的第6引脚和滑动变阻器RV的另一端，所述12V电源连接电源输入接口J2的第1引脚，所述电源输入接口J2的第2引脚连接地。

4.根据权利要求1所述的基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，其特征在于，所述电机控制板包括单片机U3、稳压芯片U6、电源输入接口、电解电容、步进脉冲和方向控制端口、程序下载端口、12V电源和滑动变阻器；所述单片机U3的型号为STC15W408AS-16，所述稳压

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芯片U6的型号为7805，所述单片机U3的第8引脚分别连接电解电容C7的负极和地，所述单片机U3的第14引脚连接步进脉冲和方向控制端口的第2引脚，所述步进脉冲和方向控制端口的第1引脚连接地，所述步进脉冲和方向控制端口的第3引脚连接单片机U3的第16引脚，所述单片机U3的第9引脚连接程序下载端口JP3的第2引脚，所述单片机U3的第10引脚连接程序下载端口JP3的第3引脚，所述程序下载端口JP3的第4引脚连接地，所述单片机U3的第15引脚分别连接电解电容C3的正极和滑动变阻器RV1的滑动端，所述滑动变阻器RV1的一端连接地，所述电解电容C3的负极连接地，所述12V电源连接稳压芯片U6的第1引脚，所述稳压芯片U6的第2引脚连接地，所述稳压芯片U6的第3引脚分别连接程序下载口JP3的第1引脚、电解电容C7的正极、单片机U3的第6引脚和滑动变阻器RV1的另一端，所述12V电源连接电源输入接口J3的第1引脚，所述12V电源输入接口J3的第2引脚连接地。

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一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪

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技术领域

[0001]本实用新型涉及演示仪领域，特别是涉及一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪。

背景技术

[0002]多普勒效应广泛应用于军工、工程检测等领域，为了更好地理解多普勒效应，直观演示变得非常重要。目前，多普勒效应的演示，主要采用声波、光波等办法。声学演示是最常用的办法，但声学演示依靠人耳辨识不直观且存在个体差异。[0003]姜洪喜，任郭亮设计的声波多普勒效应实验装置，依靠电机带动蜂鸣器做旋转运动，将声音信号转变为电信号，驱动发光二极管发光，观察二极管明暗变化演示声波的多普勒效应。存在的缺陷是仪器复杂庞大,悬空快速转动危险，同时依靠人眼辨别明暗变化的快慢，客观性不足。

[0004]梁佩莹等人设计了一种基于多普勒效应的水波特性实验装置，由探头、光电门计时器、软件程序和FD-WPB型水波实验仪(主要包括波源、观察屏、频闪仪、波源频率显示仪)组成。波源以某一频率通过气嘴吹动水面振动产生水波波纹，沿水波传播方向用手在导轨上平稳的推动气嘴在水平方向前进或后退，运用LabVIEW编程显示水波速度、波源速度，既可以利用水波展现多普勒效应，又可以研究多普勒效应的水波特性。优点是仪器精密，直观量化，但装置复杂笨重，不便于课堂演示。实用新型内容

[0005]为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，解决了现有多普勒效应演示中存在的装置复杂、庞大或者现象不直观不明显的缺陷。

[0006]本实用新型采用的技术方案是：一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，包括水槽、振子、控制电路板、木架、调节电位器和步进滑台；控制电路板包括继电器控制电路板、电机控制板和频闪控制电路板；步进滑台包括导轨、滑台和步进电机；木架包括上台板、下台板和四条支撑腿；四条支撑腿的顶部垂直设置于上台板的底部，四条支撑腿的底部垂直设置于下台板的顶部，水槽设置于步进滑台的侧面，相互分离。步进滑台设置于木架的顶部，振子滑动设置于步进滑台上，控制电路板设置于木架的下台板的顶面，调节电位器设置于木架上台板的侧面。[0007]优选地，继电器控制电路板包括单片机U1、三极管、稳压芯片 U4、晶振、二极管、电源输入接口、电解电容、程序下载端口、12V 电源、机械振动线圈和滑动变阻器；单片机U1的型号为 STC15W408AS-16，稳压芯片U4的型号为7805，单片机U1的第8 引脚分别连接电解电容C5的负极和地，单片机U1的第14引脚连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接三极管Q1的基极，三极管 Q1的集电极分别连接二极管D1的正极和机械振动线圈的一端，二极管D1的负极分别连接12V电源和机械振动线圈的另一端，单片机 U1的第9引脚连接程序下载端口

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JP1的第2引脚，单片机U1的第10引脚连接程序下载端口JP1的第3引脚，程序下载端口JP1的第4 引脚连接地，单片机U1的第15引脚分别连接电解电容C1的正极和滑动变阻器Q3的滑动端，滑动变阻器Q3的一端连接地，电解电容 C1的负极连接地，12V电源连接稳压芯片U4的第1引脚，稳压芯片 U4的第2引脚连接地，稳压芯片U4的第3引脚分别连接程序下载口JP1的第1引脚、电解电容C5的正极、单片机U1的第6引脚和滑动变阻器Q3的另一端，12V电源连接电源输入接口J1的第1引脚，电源输入接口J1的第2引脚连接地。[0008]优选地，频闪控制电路板包括单片机U2、三极管、稳压芯片U5、晶振、二极管、电源输入接口、电解电容、程序下载端口、12V电源、频闪灯和滑动变阻器；单片机U2的型号为STC15W408AS-16，稳压芯片的型号为7805，单片机U2的第8引脚分别连接电解电容C6的负极和地，单片机U2的第14引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极分别连接二极管 D2的正极和频闪灯的一端，二极管D2的负极分别连接12V电源和频闪灯的另一端，单片机U2的第9引脚连接程序下载端口JP2的第 2引脚，单片机U2的第10引脚连接程序下载端口JP2的第3引脚，程序下载端口JP2的第4引脚连接地，单片机U2的第15引脚分别连接电解电容C2的正极和滑动变阻器RV的滑动端，滑动变阻器RV 的一端连接地，电解电容C2的负极连接地，12V电源连接稳压芯片 U5的第1引脚，稳压芯片U5的第2引脚连接地，稳压芯片U5的第 3引脚分别连接程序下载口JP2的第1引脚、电解电容C5的正极、单片机U2的第6引脚和滑动变阻器RV的另一端，12V电源连接电源输入接口J2的第1引脚，电源输入接口J2的第2引脚连接地。[0009]优选地，电机控制板包括单片机U3、稳压芯片U6、电源输入接口、电解电容、步进脉冲和方向控制端口、程序下载端口、12V电源和滑动变阻器；单片机U3的型号为STC15W408AS-16，稳压芯片 U6的型号为7805，单片机U3的第8引脚分别连接电解电容C7的负极和地，单片机U3的第14引脚连接步进脉冲和方向控制端口的第2 引脚，步进脉冲和方向控制端口的第1引脚连接地，步进脉冲和方向控制端口的第3引脚连接单片机U3的第16引脚，单片机U3的第9 引脚连接程序下载端口JP3的第2引脚，单片机U3的第10引脚连接程序下载端口JP3的第3引脚，程序下载端口JP3的第4引脚连接地，单片机U3的第15引脚分别连接电解电容C3的正极和滑动变阻器RV1的滑动端，滑动变阻器RV1的一端连接地，电解电容C3的负极连接地，12V电源连接稳压芯片U6的第1引脚，稳压芯片U6 的第2引脚连接地，稳压芯片U6的第3引脚分别连接程序下载口JP3 的第1引脚、电解电容C7的正极、单片机U3的第6引脚和滑动变阻器RV1的另一端，12V电源连接电源输入接口J3的第1引脚，12V 电源输入接口J3的第2引脚连接地。

[0010]本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的有益效果如下：[0011]1.采用水波来展现多普勒效应，取材简便，现象直观、形象。[0012]2.采用单片机电路控制步进滑台、振荡线圈和LED灯，实现振源频率、频闪频率、振源平移速率的控制与调节，可控性强，操作简便。[0013]3.单片机电路控制电机驱动振源平移，比手动平移速度快且稳定，增强多普勒频移的明显程度，同时可以验证多普勒效应与平移速度的关系。[0014]4.采用红色LED灯泡作为频闪照明，频闪频率可调与振源同步，以保证水波纹形状呈现的稳定和可见性。

[0015]5.演示仪装置小巧，成本低廉，易于携带，便于课堂演示。

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附图说明

[0016]图1为本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的结构图。[0017]图2为本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的侧视图。[0018]图3为本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的主视图。

[0019]图4为本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的继电器控制电路板图。

[0020]图5为本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的频闪控制电路板图。[0021]图6为本实用新型基于自动控制的简易多普勒效应演示仪的电机控制板图。[0022]附图标记：1-水槽、2-振子、3-木架、4-调节电位器、5-步进滑台。具体实施方式

[0023]下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。[0024]如图1至图3所示，一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，包括水槽1、振子2、控制电路板6、木架3、调节电位器4和步进滑台5；控制电路板包括继电器控制电路板、电机控制板和频闪控制电路板；步进滑台5包括导轨、滑台和步进电机；木架3包括上台板、下台板和四条支撑腿；四条支撑腿的顶部垂直设置于上台板的底部，四条支撑腿的底部垂直设置于下台板的顶部，水槽1设置于步进滑台 5的侧面，相互分离。步进滑台5设置于木架3的顶部，振子2滑动设置于步进滑台5上，控制电路板设置于木架的下台板的顶面，调节电位器4设置于木架上台板的侧面。[0025]本实施方案在实施时，采用透明塑料板制作水槽，废旧木板制作支架，用单片机电路控制步进滑台、振荡线圈和LED灯，实现振源频率、频闪频率、振源移动速率的控制与调节，设计制作出一种基于自动控制的简易多普勒效应演示仪，能够直观、清晰和稳定地呈现出水波的多普勒效应，装置小巧，自动化程度高，稳定性好，操作简便，成本低廉，在基础物理实验教学中有一定应用前景。[0026]如图4所示，继电器控制电路板包括单片机U1、三极管、稳压芯片U4、晶振、二极管、电源输入接口、电解电容、程序下载端口、 12V电源、机械振动线圈和滑动变阻器；单片机U1的型号为 STC15W408AS-16，稳压芯片U4的型号为7805，单片机U1的第8 引脚分别连接电解电容C5的负极和地，单片机U1的第14引脚连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接三极管Q1的基极，三极管 Q1的集电极分别连接二极管D1的正极和机械振动线圈的一端，二极管D1的负极分别连接12V电源和机械振动线圈的另一端，单片机 U1的第9引脚连接程序下载端口JP1的第2引脚，单片机U1的第 10引脚连接程序下载端口JP1的第3引脚，程序下载端口JP1的第4 引脚连接地，单片机U1的第15引脚分别连接电解电容C1的正极和滑动变阻器Q3的滑动端，滑动变阻器Q3的一端连接地，电解电容 C1的负极连接地，12V电源连接稳压芯片U4的第1引脚，稳压芯片 U4的第2引脚连接地，稳压芯片U4的第3引脚分别连接程序下载口JP1的第1引脚、电解电容C5的正极、单片机U1的第6引脚和滑动变阻器Q3的另一端，12V电源连接电源输入接口J1的第1引脚，电源输入接口J1的第2引脚连接地。

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本实施方案在实施时，稳压电源提供12V工作电压，通过稳压芯片7805降压提供单

片机STC15W408AS-16芯片的5V工作电压，单片机STC15W408AS-16的15引脚外接电位器，单片机 STC15W408AS-16输出PWM信号驱动和控制放大电路的线圈振荡，使线圈上的小球随之振动，小球和水面接触，便可产生水波纹。调节电位器，可以改变振源频率，呈现不同频率的水波纹。

[0028]如图5所示，频闪控制电路板包括单片机U2、三极管、稳压芯片U5、晶振、二极管、电源输入接口、电解电容、程序下载端口、 12V电源、频闪灯和滑动变阻器；单片机U2的型号为 STC15W408AS-16，稳压芯片的型号为7805，单片机U2的第8引脚分别连接电解电容C6的负极和地，单片机U2的第14引脚连接电阻 R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极分别连接二极管D2的正极和频闪灯的一端，二极管D2的负极分别连接12V电源和频闪灯的另一端，单片机U2的第9引脚连接程序下载端口JP2的第2引脚，单片机U2的第10引脚连接程序下载端口JP2的第3引脚，程序下载端口JP2的第4引脚连接地，单片机U2的第15引脚分别连接电解电容C2的正极和滑动变阻器RV的滑动端，滑动变阻器RV的一端连接地，电解电容C2的负极连接地， 12V电源连接稳压芯片U5的第1引脚，稳压芯片U5的第2引脚连接地，稳压芯片U5的第3引脚分别连接程序下载口JP2的第1引脚、电解电容C5的正极、单片机U2的第6引脚和滑动变阻器RV的另一端，12V电源连接电源输入接口J2的第1引脚，电源输入接口J2 的第2引脚连接地。[0029]本实施方案在实施时，基本原理同继电器电路板相同，不同的只是把振荡线圈换成LED频闪灯，通过外接电位器可以调节和控制 LED频闪灯的闪烁频率，使与振动频率同步达到波纹稳定清晰的目的。

[0030]如图6所示电机控制板，包括单片机U3、稳压芯片U6、电源输入接口、电解电容、步进脉冲和方向控制端口、程序下载端口、12V 电源和滑动变阻器；单片机U3的型号为STC15W408AS-16，稳压芯片U6的型号为7805，单片机U3的第8引脚分别连接电解电容C7 的负极和地，单片机U3的第14引脚连接步进脉冲和方向控制端口的第2引脚，步进脉冲和方向控制端口的第1引脚连接地，步进脉冲和方向控制端口的第3引脚连接单片机U3的第16引脚，单片机U3 的第9引脚连接程序下载端口JP3的第2引脚，单片机U3的第10 引脚连接程序下载端口JP3的第3引脚，程序下载端口JP3的第4引脚连接地，单片机U3的第15引脚分别连接电解电容C3的正极和滑动变阻器RV1的滑动端，滑动变阻器RV1的一端连接地，电解电容 C3的负极连接地，12V电源连接稳压芯片U6的第1引脚，稳压芯片 U6的第2引脚连接地，稳压芯片U6的第3引脚分别连接程序下载口JP3的第1引脚、电解电容C7的正极、单片机U3的第6引脚和滑动变阻器RV1的另一端，12V电源连接电源输入接口J3的第1引脚，12V电源输入接口J3的第2引脚连接地。

[0031]本实施方案在实施时，是把PWM信号直接输入到步进电机的驱动器，通过电位器调节步进电机的转速，从而调节步进滑台的左右移动速度。

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