用于静电场描绘的二维运动系统设计

石明吉，叶俊明

(南阳理工学院电子与电气工程学院，河南 南阳 473004)

0 引言

为了研究静电场的分布情况，加深对电场强度和电位概念的理解，电场描绘成为大学物理实验的常规实验之一[1-6]。除极简单的情况外，静止带电体在空间产生的静电场都不能推导出其数学表达式。如果用实验的方法对静电场进行直接测量，静电感应产生的感应电荷会使原电场发生显著的畸变，无法得到原电场的分布情况。因此，实验中一般采用恒流场模拟静电场进行实验和测量，所用装置称为静电场描绘仪[7-9]。目前，很多高校使用双层结构的描绘仪来描绘模拟静电场。实验中采用手动方式寻找等势点，不仅效率低、误差大，而且数据不便于进一步分析和处理。

结合教学实际，研制了一个用于电场描绘的二维运动系统。将该系统运用到静电场描绘实验中，从根本上消除了不同轴误差的影响。

1 二维运动系统硬件设计

根据运动控制系统的特点以及课题要求的研究，设计了以STM32为控制核心的系统。该系统在二维运动平台上实现扫描电场采集数据，具有上位机接收数据并存储等功能。系统中主要涉及的硬件有：二维运动平台、STM32单片机、步进电机、步进电机驱动、信号放大器、电压探针等。整个设计以STM32单片机为核心，系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图Fig.1 Principle of system

单片机输出脉冲信号来控制以步进电机为动力的二维运动平台，从而带动滑台上的探针扫描、采集电场电势值，并将其传送到单片机。单片机会把数据发送到上位机进行显示存储。

2 二维运动系统软件设计

二维运动系统的主要功能就是通过控制两个步进电机的正反转、停止/启动、加减速,来完成X-Y平面的扫描。二维运动系统流程图如图2所示。

图2 二维运动系统流程图Fig.2 Flowchart of the two-dimensional motion system

在程序中，使用STM32自带的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)输出模式模块产生PWM脉冲，并且开启其使用的定时器的中断。分别采用TIM3的通道2和TIM2的通道2输出两个PWM脉冲来控制X轴和Y轴的步进电机。通过PC6、PC7输出的高低电平信号，分别控制X轴和Y轴步进电机的方向。通过PC1、PC2分别控制X轴和Y轴步进电机的启动/停止。在运行中，通过控制输出脉冲调整脉冲的频率来控制步进电机的转速。通过每发送一个脉冲就进行一次中断计数来达到精确输出脉冲数目的，从而精确定位。通过比较输出脉冲数和电机转动圈数之间的关系，以及电机转动圈数和探针前进的距离之间的关系，得出Y轴步进电机方向变化的边界条件、X轴步进电机启动或关闭的边界条件以及最后探针返回原点并停止的边界条件。

3 利用二维运动系统描绘静电场

将电压探针与二维运动系统相连，再将二维运动系统与上位机相连，组成了新型静电场描绘装置。电压探针采集的是模拟量，需要用ADC模块进行A/D转换。经单片机处理后，使用URAT发送到上位机。上位机安装有FressCars软件。利用直流电源给电极水盒供电，调整水盒液面的高度和电压探针扫描的范围，使得探针和液面接触良好、扫描范围适当。测试了两均匀带电的长柱形带电体和长直同轴柱形带电体的电场分布情况。利用Origin软件处理FressCars软件输出的数据，得到两均匀带电的长柱形带电体和长直同轴柱形带电体电场的三维彩色映射表面图和等势线图，分别如图3和图4所示。

图3 两均匀带电长柱形带电体电势分布图Fig.3 The potential distribution of two evenly charged long cylindrical charged bodies

图4 长直同轴柱形带电体静电场电势分布图Fig.4 The electrostatic field potential distribution of the long straight coaxial cylindrical electrified body

4 结束语

以STM32单片机作为微控制器，通过其对两个步进电机的控制，实现了电压探针的二维扫描运动；将其与装有FreeCars软件的上位机联合，可以实现对各点电势数据的采集和存储。利用该系统测试了两均匀带

电长柱形带电体和长直同轴柱形带电体的电势分布，消除了不同轴误差，避免了手动测试的繁琐，提高了测量效率和精度。系统运行稳定，完全满足静电场描绘试验的使用要求。

参考文献:

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