重力加速度智能測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

范宜標(biāo)，郭惠蕓

龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖 364000

0 引言

物理學(xué)中研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段之一就是重力加速度的測(cè)量，而重力加速度的測(cè)量是普通物理學(xué)的教學(xué)過(guò)程中一個(gè)必不可少的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。目前，傳統(tǒng)測(cè)量重力加速度方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果的精確度也不盡相同，但總體來(lái)說(shuō)所測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度普遍較低，計(jì)算量大，效率較低且誤差較大[1]。我們利用紅外傳感器檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)智能控制技術(shù)、LCD顯示技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種較精確的計(jì)時(shí)、計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示的智能重力加速度測(cè)試儀，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度和效率。

1 測(cè)量基本原理

通常普通物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中測(cè)量物體的重力加速度可采用“落球法”和“單擺法”[2]。本設(shè)計(jì)采用的是“落球法”，“落球法”測(cè)量原理如圖1所示。測(cè)量之前小鋼球P 被繼電器電磁線(xiàn)圈吸住，開(kāi)始測(cè)量時(shí)電磁線(xiàn)圈斷電，小球受重力作用而下落，途經(jīng)A 、B、C、D各點(diǎn). 設(shè)到達(dá)A點(diǎn)時(shí)的初速度為V0，從起始端至A及AB、BC、CD各段的距離是相等的為h ，其間AB、CD段下落時(shí)間分別為t1、t2，根據(jù)物體勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方程可得。

由此可見(jiàn)，時(shí)間的精度將直接影響重力加速度的測(cè)量準(zhǔn)確性。在測(cè)量過(guò)程中存在隨機(jī)誤差， 因此需要反復(fù)測(cè)量多次以便獲得多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。由于在多次測(cè)量過(guò)程中會(huì)因其它各種原素而引入人為誤差較大， 因此必須對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除壞值，最后才能獲得正確的測(cè)量結(jié)果。本文所設(shè)計(jì)的智能化重力加速度測(cè)試儀含有STC12C5204AD單片機(jī)，利用其內(nèi)部的定時(shí)器可進(jìn)行精確的時(shí)間測(cè)量， 并可一次測(cè)得多個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)單片機(jī)可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理，這就極大地提高測(cè)量精度和測(cè)量效率。

2 重力加速度智能測(cè)試儀的工作原理

高精度重力加速度測(cè)試儀的工作原理示意圖，如圖2所示。按下啟動(dòng)按鈕，物體下落。在下落的過(guò)程中，采用4組紅外傳感器把物體經(jīng)過(guò)2段固定距離的時(shí)間t進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，并將結(jié)果顯示在LCD屏幕上。雙色指示燈將顯示其工作狀態(tài)，即紅色為開(kāi)始狀態(tài)，橙色為數(shù)據(jù)處理結(jié)束顯示狀態(tài)。

圖1

圖2 工作原理示意圖

3 重力加速度智能測(cè)試儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 紅外傳感器檢測(cè)電路

如圖3所示，該模塊由紅外發(fā)射端（D1）、紅外接收端（D2）用于采集信號(hào)、電位器（RT）、電壓比較器（LM393）和限流電阻組成[3]。并通過(guò)調(diào)節(jié)RT可以改變D1和D2工作持續(xù)時(shí)間。連接到定時(shí)器T2的捕捉輸入端，每個(gè)紅外檢測(cè)器的輸出都可以啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T2進(jìn)行捕捉，從而可以一次測(cè)出小球經(jīng)過(guò)各點(diǎn)時(shí)的下落時(shí)間ti。其主要作用是將物體經(jīng)過(guò)兩段固定距離的時(shí)間t進(jìn)行檢測(cè)并將檢測(cè)到的電信號(hào)反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算。

圖3 紅外傳感器檢測(cè)電路圖

3.2 單片機(jī)處理核心以及指示顯示電路

如圖5所示，單片機(jī)采用的是STC12C5204AD型，該型號(hào)的單片機(jī)具有以下功能：A/D轉(zhuǎn)換，8位精度ADC，共8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)300K/S；共4個(gè)16位定時(shí)器；有EEPROM等功能符合設(shè)計(jì)的需要顧選擇該型號(hào)的單片機(jī)，在電路中起到數(shù)據(jù)處理計(jì)算的核心作用[4]。指示電路主要采用雙色燈。其工作狀態(tài)即紅色（1腳）為開(kāi)始狀態(tài)，橙色（3腳）為數(shù)據(jù)處理結(jié)束顯示狀態(tài)。顯示電路采用的是LCD1602型的液晶顯示屏，是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊[5]，這里主要是對(duì)時(shí)間t1、t2和重力加速度g值的顯示。

圖5 單片機(jī)處理核心以及指示電路圖

3.3 軟件設(shè)計(jì)

電路部分的控制中心以及數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理主要由單片機(jī)來(lái)完成，主程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，程序開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)電磁鐵，此時(shí)銜鐵吸住測(cè)試鋼柱，指示燈顯示為紅色表示準(zhǔn)備就緒并可以開(kāi)始試驗(yàn)，隨即轉(zhuǎn)入等待外部中斷狀態(tài)。外部中斷服務(wù)程序用于測(cè)定數(shù)據(jù)與計(jì)算以及顯示結(jié)果，當(dāng)CPU檢測(cè)到外部中斷按鈕按下時(shí)，電磁鐵釋放鋼柱，鋼珠落下依次經(jīng)過(guò)四個(gè)紅外傳感器并由CPU記錄其通過(guò)這些傳感器的時(shí)間間隔，指示燈此時(shí)為綠色表示正在測(cè)定結(jié)果中。最后指示燈轉(zhuǎn)為橙色表示測(cè)試結(jié)束，假如測(cè)定過(guò)程正常即顯示測(cè)定結(jié)果，異常則不顯示提示需重新測(cè)量。

4 應(yīng)用效果

實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：測(cè)量點(diǎn)AB距離：10cm；測(cè)量點(diǎn)CD距離：10cm；測(cè)量區(qū)域間距:20cm。測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖，如圖7所示。

圖7 測(cè)量統(tǒng)計(jì)圖

由統(tǒng)計(jì)圖觀察可知，所測(cè)的當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋╣）的值基本維持在9.77-9.79之間，這值和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊闹担〒?jù)查約9.78）相符。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)計(jì)時(shí)區(qū)段的時(shí)間有些浮動(dòng)，原因在于時(shí)間計(jì)算電路計(jì)時(shí)十分精確，重物落下的起始位置稍有偏差就會(huì)造成誤差，同時(shí)玻璃管壁存在一定的摩擦阻力，也會(huì)影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，這也是需要進(jìn)一步改進(jìn)的方面。

5 結(jié)論

本文所介紹的智能化重力加速度測(cè)試儀，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)有機(jī)結(jié)合，數(shù)據(jù)由儀器內(nèi)部的單片機(jī)自動(dòng)完成各種數(shù)據(jù)處理和誤差計(jì)算。由于只需要進(jìn)行一次測(cè)量，可極大地減少人為因素而導(dǎo)致的各種較大誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。適合于在課堂上作演示實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

[1]徐愛(ài)鈞，彭秀華.單片微型計(jì)算機(jī)在重力加速度測(cè)試中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理，1998，11：19-20.

[2]楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，1996:69-70.

[3]馮柏群，祁和義.監(jiān)測(cè)與傳感技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2008：11-13.

[4]蘇家健，曹柏榮，汪志鋒.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004：1-3.

[5]孫傳友，孫曉斌，張一.感測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004：302-303.