[发明专利]一种直观显示受力大小与方向的学习教具及控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及嵌入式开发技术、压力传感技术领域，具体是一种直观显示受力大小与方向的学习教具及控制系统。

背景技术

单片机嵌入式开发和压力传感。方案中用到的嵌入式开发技术目前非常成熟，压力传感技术采用薄膜式压力传感器，该技术有体积小精度高的特点，适合装在各种结构连接件中。目前已有的各种力学搭建积木品种很多，但都无法直观地显示每个结构位置的受力方向和受力大小，因此儿童在用这类玩具拼装结构时虽然可以找到稳定的结构形式，但对结构与结构之间的无法作定量的分析比较，更无法从受力方向和受力大小方面对结构进行改进。软件类的力学结构搭建程序或游戏虽然可以通过图像显示各种受力分析的信息，但缺乏实物操作的体验，很难对各种结构的体量、实际强度建立可靠稳固的认识经验。

发明内容

本发明的目的是以直观可视化、可实物操作化的方式，让儿童认识学习各种力学结构中每个部分的受力大小和方向，从而对各种支撑、连接结构的功能原理建立直观的经验认识。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种直观显示受力大小与方向的学习教具，包括一个杆，杆身内置嵌入式控制系统、一列RGB三色LED灯珠，杆的两侧有连接头，可相互连接或搭建；连接头内有两压力传感器，传感器与杆内控制系统相连，可以感应杆两端所受到的压力和拉力。

进一步地，所述杆的两侧的连接头均为环套结构。

进一步地，所述嵌入式控制系统为单片机或同性能的控制系统。

进一步地，所述压力传感器为薄膜式传感器。

另外，其控制系统为：当杆两端受到压力时，杆两端的连接头内侧的压力传感器电阻减小，单片机获取到压力传感器读出的压力大小，并按照比例，从杆两侧向中间点亮对应数目的LED灯珠；当杆两端受到拉力时，杆两端的连接头外侧的压力传感器电阻减小，单片机获取到压力传感器读出的拉力大小，并按照比例，从杆中间向两侧点亮对应数目的LED灯珠；压力或拉力值在设定能够承受的最大值1/3以内时LED灯珠全部以绿色点亮，当压力或拉力值在设定能够承受的最大值1/3到2/3之间时LED灯珠全部以黄色点亮，当压力或拉力值在设定能够承受的最大值2/3以上时LED灯珠全部以红色点亮。

本发明的有益效果为：受力分析是物理力学知识的重要基础，具体为对结构中各个结构点的受力方向和受力方向，以往这部分内容需要学生动手测量计算，一旦结构拼接复杂，计算难度将变得非常巨大。使用该发明搭建结构，可以直观的显示出各个结构杆上的受力方向和受力大小信息，帮助学生快速对各种结构形式建立更清晰定量的认识，理解不同结构的优缺点，并做到有针对的改进。该方案在直观呈现受力大小和受力方向信息的同时，保留了实际操作的体验，系统有较强的可扩展性，相关方案结构可以扩展到传动结构积木等方向，有很大的教育意义和市场价值。

附图说明

图1是教具的机构图。

图2是教具控制系统流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解释说明。

如图1所示，一种直观显示受力大小与方向的学习教具，包括（1）一个内置51单片机或同性能的嵌入式控制系统的杆1，杆身内置一列RGB三色LED灯珠3；（2）杆的两侧有连接头2，可相互连接或搭建；（3）杆两端的连接头均为环套结构，内有两个RFP602薄膜式压力传感器，传感器与杆内控制板相连，可以感应杆两端所受到的压力和拉力。

如图2所示，控制系统的流程为：当杆两端受到压力时，杆两端的连接头内侧的压力传感器4电阻减小，单片机获取到压力传感器读出的压力大小，并按照比例，从杆两侧向中间点亮对应数目的LED灯珠；（2）当杆两端受到拉力时，杆两端的连接头外侧的压力传感器5电阻减小，单片机获取到压力传感器读出的拉力大小，并按照比例，从杆中间向两侧点亮对应数目的LED灯珠；（3）压力或拉力值在设定能够承受的最大值1/3以内时LED灯珠全部以绿色点亮，当压力或拉力值在设定能够承受的最大值1/3到2/3之间时LED灯珠全部以黄色点亮，当压力或拉力值在设定能够承受的最大值2/3以上时LED灯珠全部以红色点亮。