智能化單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)儀

尹學(xué)愛(ài)，劉 妮

（濱州學(xué)院 光電工程系，山東 濱州 256603）

智能化單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)儀

尹學(xué)愛(ài)，劉 妮

（濱州學(xué)院 光電工程系，山東 濱州 256603）

傳統(tǒng)的單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中存在誤差大、操作繁雜、讀數(shù)誤差大和時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。利用智能化單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)儀，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)計(jì)時(shí)、自動(dòng)計(jì)算并顯示結(jié)果，有利于研究重力加速度大小與擺球擺動(dòng)次數(shù)、擺長(zhǎng)、擺角的關(guān)系。該文利用單片機(jī)智能化操作，提高了測(cè)量精度，使傳統(tǒng)單擺測(cè)量重力加速度的方法得到了較大改進(jìn)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

智能；單擺；重力加速度；單片機(jī)

單擺實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中最基本的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用單擺周期公式，在測(cè)得周期T和擺長(zhǎng)l的條件下，可以求得重力加速度g。在傳統(tǒng)的測(cè)量方法中，用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)得多個(gè)周期的總時(shí)間t，再求平均周期T［1－4］；該測(cè)試方法存在不足之處，例如計(jì)時(shí)不準(zhǔn)，周期個(gè)數(shù)容易記錯(cuò)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生擺錐而使計(jì)數(shù)出現(xiàn)較大誤差［5－7］。利用單片機(jī)進(jìn)行智能化操作，通過(guò)增加光電門(mén)傳感器和單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和重力加速度換算的功能，從而實(shí)現(xiàn)了重力加速度的智能化和高精度測(cè)量［8］。

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器采用STC公司的89C52單片機(jī)為控制核心，克服了傳統(tǒng)單擺測(cè)重力加速度儀器計(jì)算復(fù)雜、讀數(shù)誤差大的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，測(cè)量簡(jiǎn)潔快速，操作方便，測(cè)量結(jié)果精度較高。利用128×64液晶顯示屏和內(nèi)置的單片機(jī)計(jì)算程序直接顯示輸出結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)。

1 儀器改進(jìn)

為了防止在擺動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生擺錐，造成單擺周期測(cè)量的不準(zhǔn)確，采用電磁鐵作為吸附裝置，將小球吸附到電磁鐵上，調(diào)整好位置，斷電后使小球做單擺運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)儀器架上安裝水平儀，使儀器保持在水平的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，減少了因儀器不水平而造成的誤差。單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部程序采用篩選程序，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中誤差較大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接篩除，將可利用的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，直接輸出計(jì)算結(jié)果，顯示到液晶顯示屏上［9］。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能單擺實(shí)驗(yàn)儀由STC89C52單片機(jī)、光電門(mén)檢測(cè)、12864液晶顯示屏和電源四部分組成。

2.1 主機(jī)部分

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS－51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。其內(nèi)部帶有EEPROM，用戶(hù)的程序可以在線直接寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器，具有程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)空間大、內(nèi)部自帶看門(mén)狗、可在線編程、3個(gè)定時(shí)器、指令與C51完全兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，為今后實(shí)驗(yàn)儀的功能擴(kuò)展留有較大余地。

2.2 光電門(mén)檢測(cè)

光電計(jì)數(shù)器采用光電傳感器，利用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物件的數(shù)目統(tǒng)計(jì)。光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器，利用其計(jì)數(shù)，可以準(zhǔn)確迅速地記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)將信號(hào)輸送到單片機(jī)上，利用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)。

2.3 電源部分

電源采用交流220 V市電，經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得到＋5 V電壓，再傳送給STC89C52單片機(jī)。

2.4 液晶屏顯示電路

顯示電路采用帶有背光的12864字符液晶模塊顯示屏，與LED數(shù)碼顯示比較，具有顯示信息豐富、界面友好、可視性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)采用SPI總線形式控制顯示屏，其中P1.0、P1.1、P1.2分別為片選、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線。

2.5 程序流程

程序流程圖如圖1所示。當(dāng)擺球通過(guò)光電傳感器時(shí)，光電傳感器輸送一次信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)處理后將每次單擺的周期自動(dòng)排列篩選［10］。數(shù)據(jù)若出現(xiàn)較大的偏差，單片機(jī)將自動(dòng)篩選去除，之后經(jīng)過(guò)程序計(jì)算，測(cè)試結(jié)果顯示到LCD屏上。

3 測(cè)量過(guò)程

首先，調(diào)節(jié)底座水平螺帽，使儀器上的水平儀中氣泡處在中間位置，保證儀器處在水平位置；其次，打開(kāi)儀器開(kāi)關(guān)，將擺球吸附到電磁鐵上，調(diào)整好位置，保證電磁鐵斷電時(shí)擺球落下做單擺運(yùn)動(dòng)，并且保證偏轉(zhuǎn)角度不超過(guò)15°；之后，按下電磁開(kāi)關(guān)，使電磁鐵斷電，釋放小球；最后，儀器自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，顯示小球擺動(dòng)次數(shù)以及擺動(dòng)時(shí)間，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理自動(dòng)計(jì)算出重力加速度g，并顯示在顯示屏上。

圖1 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)擺角θ＝5°，全振動(dòng)次數(shù)取n＝50次，擺長(zhǎng)l＝60.00 cm。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)緯度θ＝40.177 7°，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)重力加速度理論值g＝9.801 95 N／kg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 固定次數(shù)的擺動(dòng)時(shí)間和重力加速度測(cè)量結(jié)果

表2 人工測(cè)量單擺周期與重力加速度

由表2數(shù)據(jù)可計(jì)算出，g＝9.815 04 N／kg，絕對(duì)誤差Δg＝0.013 28 N／kg，相對(duì)誤差Δg／g＝0.135 4。

5 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的儀器操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)果顯示直觀；同時(shí)，不需改造原來(lái)單擺實(shí)驗(yàn)儀的整體結(jié)構(gòu)，不僅簡(jiǎn)化了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還能精確地計(jì)算出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，使繁瑣的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化。

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［10］王殿學(xué)，鞠衍清.新型智能單擺實(shí)驗(yàn)儀的研制［J］.遼東學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，14（2）：110－113.

Intelligent Simple Pendulum Experimental Instrument of Measuring Acceleration of Gravity

YIN Xueai，LIU Ni
（Department of Electro－Optical Engineering，Binzhou University，Binzhou 256603，China）

The traditional experiment of measurement gravity acceleration using the simple pendulum has many problems such as large error，complicated operation，large reading error and long time during the operation process.By using intelligent simple pendulum instrument to measure acceleration of gravity，we can realize automatic counting，automatic timing，automatic calculation and display of the results.It is helpful to study the relationship between the acceleration of gravity and the number of pendulum swing，pendulum length and swing angle.In this paper，the single－chip intelligent operation is used to improve the measurement accuracy，make the acceleration of traditional method to measure the gravity acceleration with simple pendulum be greatly improved，and simplify the experimental process while making the experimental results more accurate.

intelligence；simple pendulum；acceleration of gravity；single-chip computer

O4－39；O321

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.022

2015－01－17；修改日期：2015－03－26

濱州學(xué)院科研基金（BZXYL1107）；濱州學(xué)院教研基金（BYJYWZ201211）；

尹學(xué)愛(ài)（1979－），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作。