应用物联网技术改进自由落体测量重力加速度实验

2022-12-23刘琳

物联网技术 2022年12期

刘琳

（芜湖机械工程学校，安徽芜湖 241200）

0 引言

自由落体测量重力加速度是物理学中一个不可或缺的重要实验。其传统方法是让小球自由下落，测量其下落的上端高度h1、全程高度h2和上端时间t1、全程时间t2，再由公式g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1)计算得出实验结果。其实验装置主要由测量支架、三路光电门、电磁铁、小铁球、铅垂线、接球盒和电子计时器组成。实验需要人工记录实验数据，并需要进行复杂计算，其陈旧方法容易导致人为误差。应用物联网技术改进自由落体测量重力加速度实验装置、开发相应软件，不仅方便快捷、大幅提高了实验效率，而且能充分保障实验数据的精度[1]。

1 改进思路

传统自由落体测量重力加速度实验装置中，核心部件为电子计时器，用以测量和显示小球下落的时间数据，其技术功能是应用单片机电路及其相应程序代码实现。为进一步简化实验操作步骤、提升教学信息化水平，可在单片机输出端增设蓝牙电路，由此将测得的时间数据无线发送到手机，让实验专用APP自动计算和存储实验数据，从而实现实验数据的自动化处理[2]。改进后的实验装置结构与数据流程如图1所示。

图1 改进后的实验装置结构与数据流程

2 实现技术

2.1 蓝牙电路设计

蓝牙电路采用DX-BT04-E芯片，以厂家数据手册推荐的典型电路构建最小系统，其电路如图2所示。

图2 蓝牙电路

图中S2为复位按钮，发光二极管D4与D6为工作状态指示灯。芯片的13引脚接入3.3 V电源，21和22引脚分别为蓝牙模块的数据接收端（RXD）和发送端（TXD），它们交叉连接单片机的发送端和接收端[3]，如图3所示。

图3 模块连接示意图

2.2 实验APP设计

（1）APP结构功能

根据实验需要，APP应该具备实验环境监测、蓝牙设备管理、环境数据设置和数据处理与维护功能，其架构与运作流程如图4所示[4]。

图4 实验APP结构与运作流程

（2）蓝牙设置

实验APP由Android Studio环境开发，其主界面用于蓝牙开启及连接状态显示、蓝牙设置、实验环境数据输入和实验数据显示，如图5所示[5]。

图5 实验APP主界面

在起始界面，系统检测并报告本地蓝牙启用与关闭状态，并实时显示日期和时间数据。实验地点默认显示北京地区，其他数据显示空值，等待输入或实验获取。单击“蓝牙设置”按钮，弹出相应菜单，如图6所示。通过“打开蓝牙”命令可以开启手机本地蓝牙；通过“连接蓝牙”命令进入蓝牙连接界面，如图7所示。该界面的“扫描设备”按钮用于搜索显示附近所有可以连接的蓝牙设备；单击列表显示的蓝牙即可连接该设备，同时返回主界面、显示连接的设备名称，如图8所示。

图6 蓝牙设置界面

图7 扫描设备界面

图8 蓝牙连接界面

已经连接的设备可以通过蓝牙设置菜单命令“断开连接”。

（3）实验环境数据输入

实验APP在接收数据前，需要设置实验地点和实验的上端高度、全程高度3个环境数据。实验地点下拉列表框列出了全国各地主要城市及对应的重力加速度标准值，单击即可选择，如图9所示。准确测量实验支架上3个光电门之间的距离，正确填写上端高度和全程高度，为实验数据处理做好充分准备。

图9 实验地点下拉框

（4）数据处理

连接实验硬件器材，在小球完成自由下落后单击“接收数据”按钮，APP接收单片机测得的时间数据，并根据输入的环境数据计算、显示实验数据，如图10所示[6]。为便于分析管理，每条实验数据都会同时保存到实验数据库。单击“清空数据”按钮可以清除数据库中的所有实验数据；单击“导出数据”按钮可以将实验数据导出为Excel文件，便于管理维护，如图11所示。