摘要：管道内钢珠运动测量装置是基于物理学上能量守恒定律、牛顿运动定律、三角函数进行角度精确计算，其中涉及到响应时间、运算速度及各种复杂算法，本设计基于STM32F103单片机为主控芯片，硬件以接近开关，VGUS串口屏显示电路，语音电路等几部分组成。通过软件编程算法，能实现检测钢珠运动方向、个数，获取其运动轨迹及参数，并建立具体的数学模型，最后可转换为实际角度。
关键词：钢珠；测量装置；角度测量
前言
现代社会科技高速发展，而物理科学也在稳定向前的发展，随着生活中技术的不断更新，测量方面要求精度越来越高，物理与数学知识在测量过程中的应用也越来越广，许多数据分析都需要传感器精确测量，通过测量和科学知识一起搭配以减少测量误差。本设计中根据能量守恒定律、牛顿运动定律、三角函数对管道倾斜角度精确计算；其中依据牛顿第二运动定律引入了惯性质量，全面完整地刻画了物体因受力作用而产生加速度，以及加速度与外力及质量的定量关系，通过三角函数对管道倾斜角度分析，综合两部分得出精确角度。
一、设计要求及理论计算方法
(一)设计要求
图1-1
设定传感器1和2之间的距离l为20mm，传感器1和2在管道外表面。上安放的位置不限。
（1）将1粒钢珠放入管道内，堵住两端的管口，摆动管道，摆动周期≤1s，摆动方式如图1-1所示，要求能够显示管道摆动的周期个数。
（2）按照图1-1所示放置管道，由A端一次连续倒入2~10粒钢珠，要求装置能够显示倒入钢珠的个数。
（3）按照图1-1所示放置管道，倾斜角ɑ为 10º~80º之间的某一角度，由A端放入1粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对值≤3º。
(二)理论计算方法
本设计中接近开关的主要作用是检测钢珠是否经过该传感器，当B端固定时，A端上下摆动倾斜角ɑ为 10º~80º之间的某一角度，此时小球从A端滚动向B端，而A端与地面成直线，A与B与地面就构成了一个直角三角形如图1-2所示,在理想状态下摩擦力为0固定传感器W1、W2距离，可知L1距离，通过单片机响应W1、W2检测钢珠时间差值，可以根据已知量进行公式推演，求出角度ɑ，但由于外界因素影响，实际测量会产生各种误差，在进行数据补偿，从而达到设计要求。
图1-2
根据题目要求可推导出一下公式：
a—沿斜面加速度；θ—AB与水平线夹角；
g—重力加速度；V0—重力加速度；
L1—A到W2 距离；L2—W1到W2 距离；
t1—小球行驶L1所用时间；t2—小球行驶L2所用时间；
根据以上四式，推算简化得到以下公式进行角度计算：
二、总体设计方案
在本设计中我们采用单片机STM32F103模块为核心控制单元来进行外部电路的控制，从而实现各种功能，达到题目要求。利用单片机编程读取接近开关输出信号值，达到读取钢珠个数；再通过两个传感器之间距离，及钢珠滚动两点所需时间，求出相应角度，单片机进行数据处理后，通过液晶屏实现显示钢珠个数、管道倾斜角度，通过语音模块进行数据播报。其整体框图如图2-1所示：
图2-1
三、软件总体设计
系统总体框图如图3-1所示，系统初始化后，顺次执行接近开关程序，在读取接近开关传感器返回信号后，通过两个传感器响应时间差、检测值，进行算法计算各项参数，将数据通过主控芯片处理好后，分别输出到语音程序模块，进行语音输出；液晶显示程序，进行液晶显示。
图3-1
四、结论
该装置检测管道内钢珠个数与运动方向、摆动周期，经过修改程序后测试状况良好、准确度非常高；而管道角度，经过算法改进，延时调整其精度偏差较小，精度较高。总结出影响测量角度精度主要原因包括管道所存在摩擦力，钢珠滚动的不稳定性，以及算法有一定误差等原因。
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作者简介：彭永杰(1983-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：嵌入式系统开发。
论文作者:彭永杰
论文发表刊物:《知识-力量》2019年9月31期
论文发表时间:2019/7/16
标签：钢珠论文; 管道论文; 角度论文; 测量论文; 传感器论文; 所示论文; 单片机论文; 《知识-力量》2019年9月31期论文;