石明吉，葉俊明

(南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽 473004)

0 引言

為了研究靜電場的分布情況，加深對電場強度和電位概念的理解，電場描繪成為大學(xué)物理實驗的常規(guī)實驗之一[1-6]。除極簡單的情況外，靜止帶電體在空間產(chǎn)生的靜電場都不能推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式。如果用實驗的方法對靜電場進(jìn)行直接測量，靜電感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電荷會使原電場發(fā)生顯著的畸變，無法得到原電場的分布情況。因此，實驗中一般采用恒流場模擬靜電場進(jìn)行實驗和測量，所用裝置稱為靜電場描繪儀[7-9]。目前，很多高校使用雙層結(jié)構(gòu)的描繪儀來描繪模擬靜電場。實驗中采用手動方式尋找等勢點，不僅效率低、誤差大，而且數(shù)據(jù)不便于進(jìn)一步分析和處理。

結(jié)合教學(xué)實際，研制了一個用于電場描繪的二維運動系統(tǒng)。將該系統(tǒng)運用到靜電場描繪實驗中，從根本上消除了不同軸誤差的影響。

1 二維運動系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)運動控制系統(tǒng)的特點以及課題要求的研究，設(shè)計了以STM32為控制核心的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在二維運動平臺上實現(xiàn)掃描電場采集數(shù)據(jù)，具有上位機接收數(shù)據(jù)并存儲等功能。系統(tǒng)中主要涉及的硬件有：二維運動平臺、STM32單片機、步進(jìn)電機、步進(jìn)電機驅(qū)動、信號放大器、電壓探針等。整個設(shè)計以STM32單片機為核心，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle of system

單片機輸出脈沖信號來控制以步進(jìn)電機為動力的二維運動平臺，從而帶動滑臺上的探針掃描、采集電場電勢值，并將其傳送到單片機。單片機會把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進(jìn)行顯示存儲。

2 二維運動系統(tǒng)軟件設(shè)計

二維運動系統(tǒng)的主要功能就是通過控制兩個步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)、停止/啟動、加減速,來完成X-Y平面的掃描。二維運動系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 二維運動系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flowchart of the two-dimensional motion system

在程序中，使用STM32自帶的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出模式模塊產(chǎn)生PWM脈沖，并且開啟其使用的定時器的中斷。分別采用TIM3的通道2和TIM2的通道2輸出兩個PWM脈沖來控制X軸和Y軸的步進(jìn)電機。通過PC6、PC7輸出的高低電平信號，分別控制X軸和Y軸步進(jìn)電機的方向。通過PC1、PC2分別控制X軸和Y軸步進(jìn)電機的啟動/停止。在運行中，通過控制輸出脈沖調(diào)整脈沖的頻率來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速。通過每發(fā)送一個脈沖就進(jìn)行一次中斷計數(shù)來達(dá)到精確輸出脈沖數(shù)目的，從而精確定位。通過比較輸出脈沖數(shù)和電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)之間的關(guān)系，以及電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)和探針前進(jìn)的距離之間的關(guān)系，得出Y軸步進(jìn)電機方向變化的邊界條件、X軸步進(jìn)電機啟動或關(guān)閉的邊界條件以及最后探針返回原點并停止的邊界條件。

3 利用二維運動系統(tǒng)描繪靜電場

將電壓探針與二維運動系統(tǒng)相連，再將二維運動系統(tǒng)與上位機相連，組成了新型靜電場描繪裝置。電壓探針采集的是模擬量，需要用ADC模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)單片機處理后，使用URAT發(fā)送到上位機。上位機安裝有FressCars軟件。利用直流電源給電極水盒供電，調(diào)整水盒液面的高度和電壓探針掃描的范圍，使得探針和液面接觸良好、掃描范圍適當(dāng)。測試了兩均勻帶電的長柱形帶電體和長直同軸柱形帶電體的電場分布情況。利用Origin軟件處理FressCars軟件輸出的數(shù)據(jù)，得到兩均勻帶電的長柱形帶電體和長直同軸柱形帶電體電場的三維彩色映射表面圖和等勢線圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 兩均勻帶電長柱形帶電體電勢分布圖Fig.3 The potential distribution of two evenly charged long cylindrical charged bodies

圖4 長直同軸柱形帶電體靜電場電勢分布圖Fig.4 The electrostatic field potential distribution of the long straight coaxial cylindrical electrified body

4 結(jié)束語

以STM32單片機作為微控制器，通過其對兩個步進(jìn)電機的控制，實現(xiàn)了電壓探針的二維掃描運動；將其與裝有FreeCars軟件的上位機聯(lián)合，可以實現(xiàn)對各點電勢數(shù)據(jù)的采集和存儲。利用該系統(tǒng)測試了兩均勻帶

電長柱形帶電體和長直同軸柱形帶電體的電勢分布，消除了不同軸誤差，避免了手動測試的繁瑣，提高了測量效率和精度。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完全滿足靜電場描繪試驗的使用要求。

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