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申请/专利权人：荆楚理工学院

摘要：本发明公开了一种自动化静电场描绘仪，包括绘制装置，所述绘制装置包括步进电机、十字架结构、U形测量臂、升降台、舵机、笔固定架、笔、上层板、下层板和电极水槽；所述十字架结构由X轴和Y轴组成，所述X轴和Y轴分别由两个光轴与固定板组成，所述X轴和Y轴由光轴滑套和滑套固定板连接，所述光轴滑套与滑套固定板内侧设置有四个轴承，两个所述步进电机位于所述X轴两端，两个所述步进电机与四个所述轴承通过皮带相连；所述下层板安装有升降台，所述升降台上放置有电极水槽。本发明能够自主寻找电势点、自动读数、自动打点，在自动寻找电势点的同时，显示屏将探针所在的电势实时显示出来，减少了由于读数方法不正确所引起的实验误差。

主权项：1.一种基于自动化静电场描绘仪的电场绘制方法，其特征在于，包括长直同轴电极绘制方法；所述长直同轴电极绘制方法，其步骤如下：J1.采用长直同轴电极的分别电连接电极水槽的正接线柱和负接线柱并通电，在电极水槽内建立圆形电场，以电极水槽的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴，Y坐标轴平行于Y光轴，以电极水槽中心为原点，其圆形电场以原点为圆心，电动势沿径向呈增大的趋势，整个圆形电场被X坐标轴和Y坐标轴分为四个扇形区域，分别处于坐标轴上的第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；J2.系统启动前，通过目标电压输入电路输入目标电压，通过探针接触电极水槽测量电压，同时使探针位于X坐标轴的正半轴或负半轴，或Y坐标轴的正半轴或负半轴上，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期；J3.若探针位于Y坐标轴负半轴或第三象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机顺时针旋转和第二步进电机逆时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动皮带夹，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴正向移动;J4.在步骤J3完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J5.按顺序重复步骤J3、J4若干次，直至探针处于第二向限或X坐标轴负半轴；J6.若探针（15）位于X坐标轴负半轴或第二象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动；J7.在步骤J6完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机顺时针旋转和第二步进电机逆时针旋转，使皮带拉动皮带夹，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J8.按顺序重复步骤J6、J7若干次，直至探针处于第一向限或Y坐标轴正半轴；J9.若探针位于Y坐标轴正半轴或第一象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动；J10.在步骤J9完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点;J11.按顺序重复步骤J9、J10若干次，直至探针处于第四向限或X坐标轴正半轴；J12.若探针位于X坐标轴正半轴或第四象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动；J13.在步骤J12完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点;J14.按顺序重复步骤J12、J13若干次，直至探针处于第三向限或Y坐标轴负半轴;自动化静电场描绘仪包括：探针，探针用于与电极水槽操控接触，采集接触点的电压值，并经电压采集模块调理后将电压值传输给控制器；笔，安装于舵机内，受舵机驱动与纸张操控接触，用于描绘静电场图，所述舵机电连接控制器，被控制器操控点动；电极水槽和纸张共同固定在升降台的不同层，并位于探针和舵机下方；舵机和探针分别按不同高度，共轴线固定在悬臂一端上，所述悬臂另一端与Y光轴的一端固定连接，X光轴垂直于Y光轴，与Y光轴分别穿过滑套内互相隔离的通孔，所述X光轴及Y光轴与滑套滑动连接，夹板平行于X光轴和Y光轴所在的平面布置与滑套连接，夹板四角各垂直安装有可转动的滑轮，X光轴两端被固定，X光轴两端及Y光轴靠近悬臂的一端分别连接安装有滑辊的固定板，Y光轴远离悬臂的一端连接安装有皮带夹的固定板，一根皮带依次绕过四个滑轮及三个滑辊，使皮带的两端被皮带夹夹紧，所述的X光轴两端的滑辊分别被第一步进电机和第二步进电机驱动旋转，所述第一步进电机和第二步进电机内均设有步进电机顺时针转动驱动模块和步进电机逆时针转动驱动模块，用于使所述第一步进电机和第二步进电机均能顺时针转动、逆时针转动和停止，所述步进电机顺时针转动驱动模块和步进电机逆时针转动驱动模块信号连接所述控制器；所述控制器至少还信号连接目标电压输入电路、电极选择电路、显示模块、高频时钟电路、低频时钟电路，分别用于设置目标电压、设置绘制电场方法、显示探针采集的电压、和存储。

全文数据：自动化静电场描绘仪技术领域本发明涉及物理实验仪器技术领域，具体涉及一种自动化静电场描绘仪。背景技术在实验室中，用模拟法描绘静电场是一个非常重要的电磁学实验，目前，很多高校使用手动的双层水槽式静电场描绘仪。该静电场描绘仪有诸多缺点：其一，连接上下两探针的固定手柄质量较大，与试验台的摩擦力很大，在移动时很难控制它的移动位置；其二，手动控制探针及手柄的移动，使探针所在点的电势接近待测位置目标电势而需要微精细调节时，很难控制探针移动的准确度，因而导致测量误差较大；其三，在描绘静电场时，采用人眼观测电压表读数的方法寻找等势点，效率很低，而且读数实验误差较大。发明内容本发明的目的在于提供一种能够自主寻找电势点、自动读数、自动打点的自动化静电场描绘仪，在自动寻找电势点的同时，显示屏将探针所在的电势实时显示出来，减少了由于读数方法不正确所引起的实验误差，当探针所在电势与目标电势相等时，自动打点，进而将描绘出电极间电势在空间的分布。为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：自动化静电场描绘仪，其特征在于，包括：探针，探针用于与电极水槽操控接触，采集接触点的电压值，并经电压采集模块调理后将电压值传输给控制器；笔，安装与舵机内，受舵机驱动与纸张操控接触，用于描绘静电场图，所述舵机电连接控制器，被控制器操控点动；电极水槽和纸张共同固定在升降台的不同层，并位于探针和舵机下方；舵机和探针分别按不同高度，共轴线固定在悬臂一端上，所述悬臂另一端与Y光轴的一端固定连接，X光轴垂直于Y光轴，与Y光轴分别穿过滑套内互相隔离的通孔，所述X光轴及Y光轴与滑套滑动连接，夹板平行于X光轴和Y光轴所在的平面布置与滑套连接，夹板四角各垂直安装有可转动的滑轮，X光轴两端被固定，X光轴两端及Y光轴靠近悬臂的一端分别连接安装有滑辊的固定板，Y光轴远离悬臂的一端连接安装有皮带夹的固定板，一根皮带依次绕过所述的四个滑轮及三个滑辊，使皮带的两端被皮带夹夹紧，所述的X光轴两端的滑辊分别被第一步进电机和第二步进电机驱动旋转，所述第一步进电机和第二步进电机内均设有步进电机顺时针转动驱动模块和步进电机逆时针转动驱动模块，用于使所述第一步进电机和第二步进电机均能顺时针转动、逆时针转动和停止，所述步进电机顺时针转动驱动模块和步进电机逆时针转动驱动模块信号连接所述控制器；所述控制器至少还信号连接目标电压输入电路、电极选择电路、显示模块、高频时钟电路、低频时钟电路，分别用于设置目标电压、设置绘制电场方法、显示探针采集的电压、和存储。进一步地，所述控制器还信号连接复位电路、确认按钮、开关按钮、距离输入电路。进一步地，所述目标电压输入电路由增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2组成，所述增加目标电压选择键K1一端信号连接所述控制器，所述减少目标电压选择键K2一端连接信号连接所述控制器，所述增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2的另一端均接地。进一步地，所述电压采集模块由ADS1115芯片和第一电阻R1、第二电阻R2组成，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，所述第一电阻R1另一端连接所述探针，所述第二电阻R2另一端接地，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联端连接所述ADS1115芯片的A0引脚，所述ADS1115芯片的VCC引脚连接3.3V电源，GND引脚接地，SCL引脚和SDA引脚分别信号连接所述控制器。进一步地，所述电极选择电路由电极选择按钮K3和K4组成。进一步地，所述复位电路由复位按钮K3和第一电容C1组成；所述复位按钮K3和第一电容C1并联，一端接地，另一端连接所述控制器。进一步地，所述悬臂为U型测量臂，包括互相平行分层布置的上臂、下臂及连接上臂和下臂的臂梁，所述舵机固定于上臂的末端，所述探针固定于下臂的末端。进一步地，由前述的自动化静电场描绘仪的电场绘制方法，包括长直同轴电极绘制方法；所述长直同轴电极绘制方法，其步骤如下：J1.采用长直同轴电极的分别电连接电极水槽的正接线柱和负接线柱并通电，在电极水槽内建立圆形电场，以电极水槽的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴，Y坐标轴平行于Y光轴，以电极水槽中心为原点，其圆形电场以原点为圆心，电动势沿径向呈增大的趋势，整个圆形电场被X坐标轴和Y坐标轴分为四个扇形区域，分别处于坐标轴上的第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；J2.系统启动前，通过目标电压输入电路输入目标电压，通过探针接触电极水槽测量电压，同时使探针位于X坐标轴的正半轴或负半轴，或Y坐标轴的正半轴或负半轴上，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期；J3.若探针位于Y坐标轴负半轴或第三象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机顺时针旋转和第二步进电机逆时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动皮带夹，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴正向移动；J4.在步骤J3完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J5.按顺序重复步骤J3、J4若干次，直至探针处于第二向限或X坐标轴负半轴；J6.若探针15位于X坐标轴负半轴或第二象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动；J7.在步骤J6完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机顺时针旋转和第二步进电机逆时针旋转，使皮带拉动皮带夹，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J8.按顺序重复步骤J6、J7若干次，直至探针处于第一向限或Y坐标轴正半轴；J9.若探针位于Y坐标轴正半轴或第一象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动；J10.在步骤J9完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J11.按顺序重复步骤J9、J10若干次，直至探针处于第四向限或X坐标轴正半轴；J12.若探针位于X坐标轴正半轴或第四象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动；J13.在步骤J12完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J14.按顺序重复步骤J12、J13若干次，直至探针处于第三向限或Y坐标轴负半轴。进一步地，由前述的自动化静电场描绘仪的电场绘制方法，包括聚焦电极和平行电极绘制方法；其步骤如下：F1.采用聚焦电极或平行电极的分别电连接电极水槽的正接线柱和负接线柱并通电，在电极水槽内建立电场，以电极水槽的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴，Y坐标轴平行于Y光轴，以电极水槽中心为原点，使整个电场位于坐标轴的第三象限和第四象限，其电场电动势沿X轴正方向呈减小的趋势，在Y轴方向分布有等势线；F2.系统启动前，通过目标电压输入电路输入目标电压，通过探针接触电极水槽测量电压，使探针位于坐标轴原点，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期，并在寄存器内定义设定距离；F3.当探针采集到电压后，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动；当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；当检测到的电压大于目标电压时，控制器同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；F4.按顺序重复步骤F3若干次，直至探针向Y轴负半轴移动的距离等于设定的距离。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.本发明采用单片机控制电路，实现了自动化，利用探针测量电场内的电势，利用电压采集模块采集电压，利用单片机比较采集的电压与设定电压的差别，通过程序控制反馈调节第一步进电机和第二步进电机进行正转、反转，使探针与笔同步在电场内移动，最后利用单片机控制舵机在探针采集的电压等于设定电压时驱动笔在纸上打点，降低了实验难度。2.本发明采用交叉滑动的滑杆机构，通过皮带围绕滑杆端部及滑杆间的交叉节点的方式，驱动探针和笔在纸面上做曲线运动，适于电场描绘的需要。3.本发明采用单片机自动读数，提高了实验的准确度。附图说明为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1为本发明自动化静电场描绘仪的半剖俯视图；图2为本发明自动化静电场描绘仪的正视结构图；图3为本发明的主电路图；图4为本发明自动化静电场描绘仪的主程序运行流程图；图5为本发明自动化静电场描绘仪的定时器中断处理函数运行流程图；图6为本发明自动化静电场描绘仪的串口中断处理函数运行流程图；图7为本发明自动化静电场描绘仪的外部中断处理函数运行流程图；图8为本发明长直同轴电极在空间电势的分布图；图9为本发明聚焦电极在空间电势的分布图；图10为本发明平行电极在空间电势的分布图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供的自动化静电场描绘仪，如图1-2所示，包括十字滑杆机构，该十字滑杆机构包括交叉穿过滑套16的X光轴3.1和Y光轴3.2，滑套16内设有两个互相隔离且垂直的通道，X光轴3.1两端被固定，Y光轴3.2被设计为能垂直于X光轴3.1穿过滑套16滑动伸缩，能随滑套16沿X光轴3.1滑动，滑套16被固定在夹板8上，夹板8平行于X光轴3.1和Y光轴3.2所在的平面布置，夹板8四角还安装有至少4个滑轮17.1，滑辊17.2安装于X光轴3.1两端及Y光轴3.2的一端，Y光轴3.2的一端安装有固定皮带4的皮带夹5，滑辊17.2与皮带4摩擦接触，所述皮带依次绕过四个滑轮17.1及三个滑辊17.2连接皮带夹5，X光轴3.1两端还安装有驱动滑辊17.2旋转的第一步进电机1.1和第二步进电机1.2，用于驱动皮带4沿滑辊17.2顺时针或逆时针转动，使Y光轴3.2的两端随滑套16沿X光轴3.1滑动或相对滑套16伸缩运动，如图1，设有两根Y光轴3.2和两根X光轴3.1，X光轴3.1和Y光轴3.2两端分别连接固定板2，固定板2上安装有第一步进电机1.1或第二步进电机1.2或皮带夹5或轴承固定板10，轴承固定板10用于固定滑辊17.2，第一步进电机1.1和第二步进电机1.2轴端连接滑辊17.2，如图2，U形测量臂11的臂梁11.3连接Y光轴3.2的其中一端的固定板2，笔14和探针15分别固定在U型测量臂的上臂11.1和下臂11.2的末端。其上臂11.1末端还固定有舵机12、笔固定架13和笔14，所述笔14与所述探针15同轴，舵机12安装在上臂11.1末端，用于驱动笔14做点动运动，在笔14的下方布置用于夹纸的上层板34，在探针的15的下方布置电极水槽31，所述电极水槽31的正接线柱32、负接线柱27通过导线与直流电源正负极连接，所述电极水槽31和上层板34均依次安装有升降台30上。如图2，一种静电场绘制控制系统，包括电压采集模块41、控制器42、第一步进电机1.1、第二步进电机1.2、舵机12、目标电压输入电路45、复位电路46、显示模块47、电极选择电路48，所述第一步进电机1.1和第二步进电机1.2均设有步进电机顺时针转动驱动模块43和步进电机逆时针转动驱动模块44，所述控制器42分别与电压采集模块41、步进电机顺时针转动驱动模块43和步进电机逆时针转动驱动模块44、舵机12、目标电压输入电路45、复位电路46、显示模块47、电极选择电路48信号连接；如图3，所述控制器42由单片机STM32F401RE芯片、复位电路、高频时钟电路和低频时钟电路组成；所述STM32F401RE芯片即MCULQFP64，STM32F4系列共有14个定时器，通过定时器比较时钟频率设定半个脉冲周期，所述高频时钟电路由8MHZ晶振片X1、第二电容C2和第三电容C3组成，所述单片机STM32F401RE芯片PH0引脚和PH1引脚连接所述8MHz晶振片X1的两端引脚；所述第二电容C2一端连接所述8MHz晶振片X1一端引脚，另一端接地；所述第三电容C3一端连接所述8MHz晶振片X1的另一端引脚，另一端接地。所述低频时钟电路由32.768KHZ晶振片X2、第四电容C4和第五电容C5组成，所述STM32F401RE芯片PC14引脚和PC15引脚分别连接所述32.768KHZ晶振片X2的1号脚和4号脚；所述第四电容C4一端连接所述32.768KHZ晶振片X2的1号引脚，另一端接地；所述第五电容C5一端连接所述32.768KHZ晶振片X2的4号引脚，另一端接地。所述复位电路46由复位按钮K5和第一电容C1组成；所述复位按钮K5和第一电容C1并联，一端接地，另一端连接所述STM32F401RE芯片的NRST引脚。所述目标电压输入电路45由增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2组成，所述增加目标电压选择键K1一端连接所述STM32F401RE芯片的PC0引脚，所述减少目标电压选择键K2一端连接所述STM32F401RE芯片的PC1引脚，所述增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2的另一端均接地。具体地，所述显示模块42由LCD12864组成，所述LCD12864BLA引脚、RST引脚和VDD引脚连接3.3V电源，BLK引脚和VSS引脚接地,所述STM32F401RE芯片的PB1引脚、PB15引脚、PB14引脚和PB13引脚分别连接所述LCD12864的PSB引脚、SCLKE引脚、SID或RW引脚、CS或RS和引脚。具体地，所述电压采集模块41由ADS1115芯片和阻值大小为40K的第一电阻R1和阻值大小为10K的第二电阻R2组成，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，所述第一电阻R1另一端连接所述探针15，所述第二电阻R2另一端接地，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联端连接所述ADS1115芯片的A0引脚，所述ADS1115芯片的VCC引脚连接3.3V电源，GND引脚接地，SCL引脚和SDA引脚分别连接所述STM32F401RE芯片的PA13引脚和PA14引脚。所述STM32F401RE芯片的PC9引脚连接所述舵机12的信号引脚，所述STM32F401RE芯片的PA9引脚、PB10引脚、PB4引脚、PA11引脚和PA10引脚分别连接开关按钮20，及所述步进电机顺时针转动驱动模块43的DIR引脚、STP引脚，和步进电机逆时针转动驱动模块44的DIR引脚、STP引脚，单片机STM32F401RE的PC13引脚连接运行指示灯。单片机STM32F401RE的PC2和PC3引脚分别与电极选择按钮K3和K4连接。该自动化静电场描绘仪进一步还包括长方形壳体18，所述长方形壳体18内安装有十字滑杆机构、控制器42、显示模块47、目标电压输入电路45以及电压采集模块41，所述长方形壳体18的外部一侧安装显示屏19、开关按钮20、复位按钮K5、确认按钮26、增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2、电极选择键K4以及电极选择键K3。本发明采用单片机及各种可编程的芯片均可实现电路的控制，来自动寻找电势点，采用各种电压检测芯片和不同电阻组成电压采集系统，来实现自动读数。在自动寻找电势点的同时，仪器显示屏将探针所在的电势实时显示出来，减少了由于读数方法不正确所引起的实验误差。当探针所在电势与目标电势相等时，自动打点，进而将描绘出电极间电势在空间的分布。具体的过程如下，在带有电极水槽31中注入一定量的水水不能没过电极，放置在升降台30上，通过旋转升降台上的螺丝29，使水面与探针15接触；连接好电路，按开关按钮20，显示屏19显示不同电极名称，通过电极选择键K4、电极选择键K3来选择输入至电极水槽31中的电极类型，通过增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2选择所选要描绘的电势线的目标电压，按确认按钮26，整个描绘仪开始工作；电压采集模块41的ADS1115芯片不断的将探针15与电极水槽31接触位置所在的电压传送给单片机STM32F401RE，进行与目标电压进行比较，来判断第一步进电机1.1和第一步进电机1.2的转动方向，使皮带4驱动U型测量臂11随Y光轴3.2沿X光轴3.1滑动，或相对滑套16伸缩，进而将带动探针15移动，并且通过显示屏19将电压显示出来；当探针15所测量的电压在目标电压所允许的范围内，单片机STM32F401RE控制舵机12进行打点。将所选目标电压的电势线描绘结束后，按复位按钮K5，描绘仪回复到初始状态，然后选择另一目标电压，进行描绘，直到描绘出电极在空间中电势分布，具体实施例如图8-10所示，图8为长直同轴电极在空间电势的分布图，图9为聚焦电极在空间电势的分布图；图10为平行电极在空间电势的分布图。长直同轴电极绘制方法，包括以下步骤：J1.采用长直同轴电极的分别电连接电极水槽31的正接线柱32和负接线柱27并通电，在电极水槽31内建立圆形电场，以电极水槽31的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴3.1，Y坐标轴平行于Y光轴3.2，以电极水槽31中心为原点，其圆形电场以原点为圆心，电动势沿径向呈增大的趋势，整个圆形电场被X坐标轴和Y坐标轴分为四个扇形区域，分别处于坐标轴上的第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；J2.系统启动前，通过目标电压输入电路45输入目标电压，通过探针15接触电极水槽31测量电压，同时使探针15位于X坐标轴的正半轴或负半轴，或Y坐标轴的正半轴或负半轴上，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期；J3.若探针15位于Y坐标轴负半轴或第三象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器42同时驱动第一步进电机1.1顺时针旋转和第二步进电机1.2逆时针旋转半个脉冲周期，使皮带4拉动皮带夹5，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2相对滑套16沿Y坐标轴正向移动；J4.在步骤J3完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1和第二步进电机1.2同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机1.1端的皮带4缩短，而靠近第二步进电机端1.2的皮带4延长，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2沿X坐标轴负向移动，直至探针15测量的电压值等于目标电压值时，控制器42停止第一步进电机1.1和第二步进电机1.2转动，并驱动舵机12使笔14在纸上打点；J5.按顺序重复步骤J3、J4若干次，直至探针15处于第二向限或X坐标轴负半轴；J6.若探针15位于X坐标轴负半轴或第二象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1和第二步进电机1.2同速逆时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机1.1端的皮带4伸长，而靠近第二步进电机端1.2的皮带4缩短，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2沿X坐标轴正向移动；J7.在步骤J6完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器42同时驱动第一步进电机1.1顺时针旋转和第二步进电机1.2逆时针旋转，使皮带4拉动皮带夹5，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2相对滑套16沿Y坐标轴正向移动，直至探针15测量的电压值等于目标电压值时，控制器42停止第一步进电机1.1和第二步进电机1.2转动，并驱动舵机12使笔14在纸上打点；J8.按顺序重复步骤J6、J7若干次，直至探针15处于第一向限或Y坐标轴正半轴；J9.若探针15位于Y坐标轴正半轴或第一象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1逆时针旋转和第二步进电机1.2顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带4拉动Y光轴3.2上的滑辊17.2，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2相对滑套16沿Y坐标轴负向移动；J10.在步骤J9完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器42同时驱动第一步进电机1.1和第二步进电机1.2同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机1.1端的皮带4伸长，而靠近第二步进电机端1.2的皮带4缩短，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2沿X坐标轴正向移动，直至探针15测量的电压值等于目标电压值时，控制器42停止第一步进电机1.1和第二步进电机1.2转动，并驱动舵机12使笔14在纸上打点；J11.按顺序重复步骤J9、J10若干次，直至探针15处于第四向限或X坐标轴正半轴；J12.若探针15位于X坐标轴正半轴或第四象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1和第二步进电机1.2同速顺时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机1.1端的皮带4缩短，而靠近第二步进电机端1.2的皮带4延长，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2沿X坐标轴负向移动；J13.在步骤J12完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1逆时针旋转和第二步进电机1.2顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带4拉动Y光轴3.2上的滑辊17.2，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2相对滑套16沿Y坐标轴负向移动，直至探针15测量的电压值等于目标电压值时，控制器42停止第一步进电机1.1和第二步进电机1.2转动，并驱动舵机12使笔14在纸上打点；J14.按顺序重复步骤J12、J13若干次，直至探针15处于第三向限或Y坐标轴负半轴；聚焦电极和平行电极绘制方法，包括以下步骤：F1.采用聚焦电极或平行电极的分别电连接电极水槽31的正接线柱32和负接线柱27并通电，在电极水槽31内建立电场，以电极水槽31的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴3.1，Y坐标轴平行于Y光轴3.2，以电极水槽31中心为原点，使整个电场位于坐标轴的第三象限和第四象限，其电场电动势沿X轴正方向呈减小的趋势，在Y轴方向分布有等势线；F2.系统启动前，通过目标电压输入电路45输入目标电压，通过探针15接触电极水槽31测量电压，再使探针15位于坐标轴原点，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期，并寄存器内定义设定距离；F3.当探针15采集到电压后，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1逆时针旋转和第二步进电机1.2顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带4拉动Y光轴3.2上的滑辊17.2，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2相对滑套16沿Y坐标轴负向移动；当测量电压值小于目标电压值时，控制器42再同时驱动第一步进电机1.1和第二步进电机1.2同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机1.1端的皮带4缩短，而靠近第二步进电机端1.2的皮带4延长，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2沿X坐标轴负向移动，直至探针15测量的电压值等于目标电压值时，控制器42停止第一步进电机1.1和第二步进电机1.2转动，并驱动舵机12使笔14在纸上打点；当检测到的电压大于目标电压时，控制器42同时驱动第一步进电机1.1和第二步进电机1.2同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机1.1端的皮带4伸长，而靠近第二步进电机端1.2的皮带4缩短，驱动探针15连同U型测量臂11、Y光轴3.2沿X坐标轴正向移动，直至探针15测量的电压值等于目标电压值时，控制器42停止第一步进电机1.1和第二步进电机1.2转动，并驱动舵机12使笔14在纸上打点；F4按顺序重复步骤F3若干次，直至探针15向Y轴负半轴移动的距离等于设定距离；以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

权利要求：1.自动化静电场描绘仪，其特征在于，包括：探针，探针用于与电极水槽操控接触，采集接触点的电压值，并经电压采集模块调理后将电压值传输给控制器；笔，安装与舵机内，受舵机驱动与纸张操控接触，用于描绘静电场图，所述舵机电连接控制器，被控制器操控点动；电极水槽和纸张共同固定在升降台的不同层，并位于探针和舵机下方；舵机和探针分别按不同高度，共轴线固定在悬臂一端上，所述悬臂另一端与Y光轴的一端固定连接，X光轴垂直于Y光轴，与Y光轴分别穿过滑套内互相隔离的通孔，所述X光轴及Y光轴与滑套滑动连接，夹板平行于X光轴和Y光轴所在的平面布置与滑套连接，夹板四角各垂直安装有可转动的滑轮，X光轴两端被固定，X光轴两端及Y光轴靠近悬臂的一端分别连接安装有滑辊的固定板，Y光轴远离悬臂的一端连接安装有皮带夹的固定板，一根皮带依次绕过所述的四个滑轮及三个滑辊，使皮带的两端被皮带夹夹紧，所述的X光轴两端的滑辊分别被第一步进电机和第二步进电机驱动旋转，所述第一步进电机和第二步进电机内均设有步进电机顺时针转动驱动模块和步进电机逆时针转动驱动模块，用于使所述第一步进电机和第二步进电机均能顺时针转动、逆时针转动和停止，所述步进电机顺时针转动驱动模块和步进电机逆时针转动驱动模块信号连接所述控制器；所述控制器至少还信号连接目标电压输入电路、电极选择电路、显示模块、高频时钟电路、低频时钟电路，分别用于设置目标电压、设置绘制电场方法、显示探针采集的电压、和存储。2.根据权利要求1所述的自动化静电场描绘仪，其特征在于，所述控制器还信号连接复位电路、确认按钮、开关按钮、距离输入电路。3.根据权利要求1所述的自动化静电场描绘仪，其特征在于，所述目标电压输入电路由增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2组成，所述增加目标电压选择键K1一端信号连接所述控制器，所述减少目标电压选择键K2一端连接信号连接所述控制器，所述增加目标电压选择键K1、减少目标电压选择键K2的另一端均接地。4.根据权利要求1所述的自动化静电场描绘仪，其特征在于，所述电压采集模块由ADS1115芯片和第一电阻R1、第二电阻R2组成，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，所述第一电阻R1另一端连接所述探针，所述第二电阻R2另一端接地，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联端连接所述ADS1115芯片的A0引脚，所述ADS1115芯片的VCC引脚连接3.3V电源，GND引脚接地，SCL引脚和SDA引脚分别信号连接所述控制器。5.根据权利要求1所述的自动化静电场描绘仪，其特征在于，所述电极选择电路由电极选择按钮K3和K4组成。6.根据权利要求1所述的自动化静电场描绘仪，其特征在于，所述复位电路由复位按钮K3和第一电容C1组成；所述复位按钮K3和第一电容C1并联，一端接地，另一端连接所述控制器。7.根据权利要求1所述的自动化静电场描绘仪，其特征在于，所述悬臂为U型测量臂，包括互相平行分层布置的上臂、下臂及连接上臂和下臂的臂梁，所述舵机固定于上臂的末端，所述探针固定于下臂的末端。8.根据权利要求1～7所述的自动化静电场描绘仪的电场绘制方法，其特征在于，包括长直同轴电极绘制方法；所述长直同轴电极绘制方法，其步骤如下：J1.采用长直同轴电极的分别电连接电极水槽的正接线柱和负接线柱并通电，在电极水槽内建立圆形电场，以电极水槽的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴，Y坐标轴平行于Y光轴，以电极水槽中心为原点，其圆形电场以原点为圆心，电动势沿径向呈增大的趋势，整个圆形电场被X坐标轴和Y坐标轴分为四个扇形区域，分别处于坐标轴上的第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；J2.系统启动前，通过目标电压输入电路输入目标电压，通过探针接触电极水槽测量电压，同时使探针位于X坐标轴的正半轴或负半轴，或Y坐标轴的正半轴或负半轴上，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期；J3.若探针位于Y坐标轴负半轴或第三象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机顺时针旋转和第二步进电机逆时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动皮带夹，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴正向移动；J4.在步骤J3完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J5.按顺序重复步骤J3、J4若干次，直至探针处于第二向限或X坐标轴负半轴；J6.若探针15位于X坐标轴负半轴或第二象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动；J7.在步骤J6完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机顺时针旋转和第二步进电机逆时针旋转，使皮带拉动皮带夹，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J8.按顺序重复步骤J6、J7若干次，直至探针处于第一向限或Y坐标轴正半轴；J9.若探针位于Y坐标轴正半轴或第一象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动；J10.在步骤J9完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J11.按顺序重复步骤J9、J10若干次，直至探针处于第四向限或X坐标轴正半轴；J12.若探针位于X坐标轴正半轴或第四象限，当测量电压值大于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转半个脉冲周期，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动；J13.在步骤J12完成后，当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；J14.按顺序重复步骤J12、J13若干次，直至探针处于第三向限或Y坐标轴负半轴。9.根据权利要求1～7所述的自动化静电场描绘仪的电场绘制方法，其特征在于，包括聚焦电极和平行电极绘制方法；其步骤如下：F1.采用聚焦电极或平行电极的分别电连接电极水槽的正接线柱和负接线柱并通电，在电极水槽内建立电场，以电极水槽的两根中线作为X坐标轴和Y坐标轴，X坐标轴平行于X光轴，Y坐标轴平行于Y光轴，以电极水槽中心为原点，使整个电场位于坐标轴的第三象限和第四象限，其电场电动势沿X轴正方向呈减小的趋势，在Y轴方向分布有等势线；F2.系统启动前，通过目标电压输入电路输入目标电压，通过探针接触电极水槽测量电压，再使探针位于坐标轴原点，同时控制器依时钟频率设定半个脉冲周期，并在寄存器内定义设定距离；F3.当探针采集到电压后，控制器再同时驱动第一步进电机逆时针旋转和第二步进电机顺时针旋转半个脉冲周期，使皮带拉动Y光轴上的滑辊，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴相对滑套沿Y坐标轴负向移动；当测量电压值小于目标电压值时，控制器再同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速顺时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带缩短，而靠近第二步进电机端的皮带延长，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴负向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；当检测到的电压大于目标电压时，控制器同时驱动第一步进电机和第二步进电机同速逆时针旋转，使靠近第一步进电机端的皮带伸长，而靠近第二步进电机端的皮带缩短，驱动探针连同U型测量臂、Y光轴沿X坐标轴正向移动，直至探针测量的电压值等于目标电压值时，控制器停止第一步进电机和第二步进电机转动，并驱动舵机使笔在纸上打点；F4.按顺序重复步骤F3若干次，直至探针向Y轴负半轴移动的距离等于设定的距离。

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