專利名稱：簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演不儀,是一種基于LED點(diǎn)陣的物理學(xué)原理演示設(shè)備。
背景技術(shù)：
在高校物理課堂上有關(guān)振動的合成的課程中，盡管有flash動畫演示效果，但對于抽象的振動的合成仍然難以讓同學(xué)們理解。而現(xiàn)有的能夠演示振動過程的設(shè)備，普遍采用激光模擬和機(jī)械直接演示，它們都不能演示振動的合成的過程，只能提供靜態(tài)的畫面，并且也無法演不偏振光的合成?，F(xiàn)在市場上的振動合成的演示儀，一般是激光模擬的或機(jī)械直接演示的。機(jī)械傳動類演示儀器，體積較大，成本較高，雖可演示一些簡諧振動合成的過程，但演示時間較長且不可調(diào)整，若在課堂上演示的話將會耽誤上課時間。激光模擬類演示，只是給人一幅圖畫，讓人無法感受合成的過程?，F(xiàn)在許多高校都在進(jìn)行偏振光演示的研究，但總體上都是基于光的線偏振化，然后進(jìn)行直接演示，但這樣得到的僅僅是個圖像，并不能演示偏振光的矢端運(yùn)動過程。另外，對于光的五種偏振態(tài)比較分析的演示，研究者很少?，F(xiàn)在許多研究者實(shí)現(xiàn)了用Visual C++編程來演示簡諧振動的合成，但是這種方式并不能演示簡諧振動的合成過程，更無法演示光的五種偏振態(tài)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了如下的技術(shù)方案:簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀，包括LED點(diǎn)陣屏顯示模塊、控制模塊和指令輸入模塊；所述LED點(diǎn)陣屏顯示模塊包括LED點(diǎn)陣屏，用于顯示圖像；所述指令輸入模塊用于根據(jù)用戶的輸入向控制模塊發(fā)送控制指令，所述控制指令包括演示預(yù)定圖像或演示預(yù)定過程的指令；所述控制模塊用于接收指令輸入模塊發(fā)送的控制指令，并根據(jù)所述控制指令控制LED點(diǎn)陣屏中的若干個LED燈顯示預(yù)定圖像，所述預(yù)定圖像包括簡諧振動合成圖、簡諧振動合成過程、光的五種偏振態(tài)和偏振光光矢端運(yùn)動過程。本發(fā)明能夠直觀的演示出簡諧振動的合成過程和光的五種偏振態(tài)，讓初學(xué)者更好的理解簡諧振動和偏振光的合成這一抽象知識點(diǎn)；并且可以讓學(xué)生親自動手操作，以及根據(jù)自己的要求選擇所要演示的圖形；還能夠演示不同頻率的振動動態(tài)的合成過程，以及偏振光的光矢端運(yùn)動過程。


附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:圖1為本發(fā)明提供的簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀的程序執(zhí)行示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀，如圖1所示，包括LED點(diǎn)陣屏顯示模塊、控制模塊和指令輸入模塊；所述LED點(diǎn)陣屏顯示模塊包括LED點(diǎn)陣屏，用于顯示圖像；所述指令輸入模塊用于根據(jù)用戶的輸入向控制模塊發(fā)送控制指令，所述控制指令包括演示預(yù)定圖像或演示預(yù)定過程的指令；所述控制模塊用于接收指令輸入模塊發(fā)送的控制指令，并根據(jù)所述控制指令控制LED點(diǎn)陣屏中的若干個LED燈顯示預(yù)定圖像，所述預(yù)定圖像包括簡諧振動合成圖、簡諧振動合成過程、光的五種偏振態(tài)和偏振光光矢端運(yùn)動過程。具體的，現(xiàn)有LED點(diǎn)陣屏的控制電路的實(shí)現(xiàn)方式一般有兩種:可編程器件和單片機(jī)?？删幊唐骷耆布?shí)現(xiàn)控制邏輯，速度較快，主要用于大尺寸LED屏或同步屏。單片機(jī)使用軟件實(shí)現(xiàn)控制邏輯，速度相對較慢，一般可用于小尺寸的異步屏，但是單片機(jī)可靈活方便的實(shí)現(xiàn)一些特殊功能。因此，在本具體實(shí)施方式
中采用一片MC9S12XS128單片機(jī)作為控制模塊，即可實(shí)現(xiàn)對LED屏的控制，直接用于控制的端口只需12位，其余端口可作為擴(kuò)展其他功能使用。采用MC9S12XS128單片機(jī)控制主要是考慮程序所占的空間較大，而該單片機(jī)有64K的程序存儲器，可滿足程序設(shè)計的需要。LED點(diǎn)陣屏可采用64行X64列的LED燈點(diǎn)陣，控制電路使用74HC595的串行移位寄存器作為MC9S12XS128單片機(jī)IO 口的擴(kuò)展，即通過串行通信來傳輸數(shù)據(jù)，并行口來輸出數(shù)據(jù)，這樣大大的節(jié)省了單片機(jī)的IO 口 ；使用4514譯碼器進(jìn)一步擴(kuò)展IO 口，使用達(dá)林頓管驅(qū)動64個LED燈，進(jìn)而驅(qū)動控制64行綠燈和64行紅燈，從而實(shí)現(xiàn)IO 口的擴(kuò)展和LED燈的高亮度。另外，由于同時點(diǎn)亮LED燈的數(shù)量太多，電流太大，故對幾個電流較大的芯片分別單獨(dú)使用穩(wěn)壓芯片7805供電，共使用了 7片7805供電。指令輸入模塊主要是由4個按鍵和4X4的矩陣鍵盤由單片機(jī)的1210 口控制。其中4X4的矩陣鍵盤分別控制簡諧振動合成的16種圖形和偏振光干涉的圖形，另外的4個按鍵，作為總開關(guān)類的控制，分別可選擇為簡諧振動合成圖、簡諧振動合成過程、光的五種偏振態(tài)圖、偏振光光矢端運(yùn)動過程。本具體實(shí)施方式
提供的簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀的工作原理是:首先按照發(fā)明目標(biāo)，對電路進(jìn)行了調(diào)查研究，并進(jìn)行了一些實(shí)際的測試，然后繪出原理圖。控制LED點(diǎn)陣屏64列可使用單片機(jī)的4個IO 口，經(jīng)過串行傳輸數(shù)據(jù)，并一位一位的向后移動，最終并行輸出64個數(shù)據(jù)；控制LED 點(diǎn)陣屏64行可使用單片機(jī)的8個IO 口，經(jīng)過串行傳輸數(shù)據(jù)，最終并行輸出16個數(shù)據(jù)，控制8個4-16譯碼器，譯碼器把數(shù)據(jù)譯為控制綠燈的64行和控制紅燈的64行；達(dá)林頓管放大電路用于驅(qū)動LED點(diǎn)陣燈，使LED燈有足夠的亮度；供電穩(wěn)壓電路是考慮到驅(qū)動電路電流較大，故給每三個達(dá)林頓管配給一個穩(wěn)壓電源；MC9S12XS128單片機(jī)的核心控制模塊，使用了 PORTA、PORTB、PORTE 口，分別控制64列、64行綠燈、64行紅燈和鍵盤；輸入模塊3分為4個按鍵的主控和16個按鍵的分別控制。最后，經(jīng)過手動布局、自動布線和手動布線，生成了 3塊PCB電路板文件，進(jìn)而刷印出PCB電路板。振動的合成主要包括同方向同頻率的簡諧振動的合成、同方向不同頻率的簡諧振動的合成、相互垂直同頻率的簡諧振動的合成和相互垂直不同頻率的簡諧振動的合成。以相互垂直同頻率的簡諧振動的合成為例，兩個簡諧振動的表達(dá)式分別為:
權(quán)利要求
1.簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀，其特征在于，包括LED點(diǎn)陣屏顯示模塊、控制模塊和指令輸入模塊； 所述LED點(diǎn)陣屏顯示模塊包括LED點(diǎn)陣屏，用于顯示圖像； 所述指令輸入模塊用于根據(jù)用戶的輸入向控制模塊發(fā)送控制指令，所述控制指令包括演示預(yù)定圖像或演示預(yù)定過程的指令； 所述控制模塊用于接收指令輸入模塊發(fā)送的控制指令，并根據(jù)所述控制指令控制LED點(diǎn)陣屏中的若干個LED燈顯示預(yù)定圖像，所述預(yù)定圖像包括簡諧振動合成圖、簡諧振動合成過程、光的五種偏振態(tài)和偏振光光矢端運(yùn)動過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀，其特征在于，所述智能演示儀還包括硬件控制電路，所述硬件控制電路包括: 串行移位寄存器，用于在所述LED點(diǎn)陣屏和所述控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)； 達(dá)林管驅(qū)動電路，包括若干個達(dá)林管，用于驅(qū)動所述LED點(diǎn)陣屏中的LED燈； 模塊化供電模塊，用于為每三個達(dá)林管配給一個穩(wěn)壓電源使顯示穩(wěn)定清晰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀，其特征在于，所述控制模塊還用于每隔0.3ms掃描所述LED點(diǎn)陣屏的一行，每行定時0.5s檢查是否需要更新顯示內(nèi)容；所述控制模塊還用于控制LED燈的運(yùn)行時間，實(shí)現(xiàn)LED燈模擬彈簧振子的簡諧振動，并在X軸和Y軸方向上頻率不同相位為若干固定值的簡諧振動，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的合成簡諧振動或其合成過程；所述控制模塊還用于控制LED燈振動模擬實(shí)現(xiàn)偏振光的偏振運(yùn)動，在兩相互垂直方向上頻率相同相位為若干固定值的線偏振光，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的合成偏振光或其合成過程?！?br> 全文摘要
本發(fā)明提供了一種簡諧振動合成和光的五種偏振態(tài)的智能演示儀，相應(yīng)的演示儀包括LED點(diǎn)陣屏顯示模塊、控制模塊和指令輸入模塊，控制模塊用于接收輸入模塊發(fā)送的控制指令，并通過算法處理發(fā)出控制指令，控制電路實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣屏中的若干個LED燈顯示簡諧振動合成圖、簡諧振動合成過程、光的五種偏振態(tài)和偏振光光矢端運(yùn)動過程；指令輸入模塊用于根據(jù)用戶指令的輸入，并向控制模塊發(fā)送演示預(yù)定圖像或過程的控制指令。本發(fā)明能夠直觀的演示出簡諧振動的合成過程和偏振光的光矢端運(yùn)動過程，并可以讓學(xué)生親自動手操作加深對相關(guān)物理知識點(diǎn)的理解。
文檔編號G09B23/10GK103236211SQ201310123700
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者阮海軍, 董永奇, 王偉, 王飛 申請人:北京交通大學(xué)