基于LabVIEW的空氣比熱容比測定系統(tǒng)設(shè)計

徐一清， 倪涌舟， 周益民， 周國泉

（浙江農(nóng)林大學(xué)光機電工程學(xué)院，杭州 311300）

0 引 言

理想氣體的摩爾定壓熱容cp，m和摩爾定體熱容cV，m之比γ稱為氣體的比熱容比，又稱為氣體的絕熱指數(shù)，是一個重要的熱力學(xué)參量，在工程技術(shù)的絕熱或近似絕熱的過程中應(yīng)用廣泛［1-2］。空氣比熱容比測定是大學(xué)物理實驗課中開設(shè)比較普遍的熱學(xué)實驗，測定γ的方法有多種，絕熱膨脹法是其中常用的一種［3-5］。本實驗在測量過程中經(jīng)歷了4個熱力學(xué)過程，在4個過程中瓶內(nèi)溫度和壓強都在不斷變化。傳統(tǒng)實驗中觀察溫度壓強變化的方式是觀察數(shù)字電壓表數(shù)值的瞬時變化，實驗結(jié)束只能得到平衡狀態(tài)時的數(shù)值，不便于觀察裝置內(nèi)狀態(tài)的實時變化。另外，傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)顯示為電壓值，需要進行一定的關(guān)系式轉(zhuǎn)換才能成為實際的大氣壓強和溫度，不夠直觀方便，實驗裝置所用傳感器靈敏度也相對較低，讀取數(shù)據(jù)存在延遲。針對上述不足，本文將傳統(tǒng)測量裝置與計算機相結(jié)合，利用LabVIEW程序和串口通信技術(shù)，實現(xiàn)了氣壓溫度數(shù)據(jù)在計算機上的自動采集和處理，促進了實驗教學(xué)的數(shù)字化、信息化。

1 實驗原理及裝置

本實驗所用傳統(tǒng)儀器為FD-NCD-Ⅱ型空氣比熱容比測定儀，它由擴散硅壓力傳感器、集成溫度傳感器（AD590）、測量儀表（裝有數(shù)字電壓表、直流穩(wěn)壓電源、固定取樣電阻等）、大玻璃容器、充氣球及導(dǎo)線等組成。瓶內(nèi)氣體的溫度和壓強可以通過溫度傳感器和壓差傳感器測量并在主機上以電壓的形式顯示［6］。改造后的實驗裝置如圖1所示，由BMP388氣壓溫度傳感器替代了原壓力和溫度傳感器，由計算機替代了原數(shù)字電壓表，實現(xiàn)了氣壓溫度數(shù)據(jù)實時采集、快速分析繪圖和空氣比熱容比自動計算等功能，提高了實驗的可視化和自動化程度，使得系統(tǒng)的視覺效果更好，人機交互性更強。

圖1 改進后的空氣比熱容比測定系統(tǒng)

絕熱膨脹法測量空氣比熱容比變化過程如圖2所示。以貯氣瓶內(nèi)空氣作為研究對象的熱力學(xué)系統(tǒng)（見圖3）進行如下實驗過程［3］。首先關(guān)閉放氣活塞B，打開進氣活塞A，用充氣球D向封閉的瓶內(nèi)均勻打氣，充入一定量的氣體，然后關(guān)閉進氣活塞A。此時瓶內(nèi)空氣被壓縮，壓強增大，溫度升高，氣壓溫度傳感器C檢測輸出相應(yīng)信號，待瓶內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定時，即達到與周圍溫度（室溫）平衡，此時的氣體處于狀態(tài)Ⅰ（p1，V1，T0）。之后迅速打開放氣活塞B，使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，當瓶內(nèi)壓強降至p0，聽到放氣聲消失時，立刻關(guān)閉放氣活塞B。由于放氣過程較快，瓶內(nèi)保留的氣體來不及與外界進行熱量交換，可以認為是一個絕熱膨脹過程。在此過程后瓶內(nèi)保留的氣體由狀態(tài)Ⅰ（p1，V1，T0）轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)Ⅱ（p0，V2，T1）。V2為貯氣瓶體積，V1為保留在瓶內(nèi)這部分氣體在狀態(tài)Ⅰ時的體積。由于瓶內(nèi)氣體溫度T1低于室溫T0，因此瓶內(nèi)氣體慢慢從外界吸熱，直至達到室溫T0為止，此時瓶內(nèi)氣體壓強也隨之增大為p2，則穩(wěn)定后的氣體狀態(tài)為狀態(tài)Ⅲ（p2，V2，T0）。從狀態(tài)Ⅱ到狀態(tài)Ⅲ的過程可以看作是等容吸熱的過程。狀態(tài)Ⅰ→狀態(tài)Ⅱ是絕熱過程，由絕熱過程方程得：

圖2 氣體狀態(tài)變化過程

圖3 實驗裝置示意圖

狀態(tài)Ⅰ和狀態(tài)Ⅲ的溫度均為T0，由氣體狀態(tài)方程得：

合并式（1）和（2），得：

由式（3）可以看出，只要測出p0、p1、p2，就可以求得空氣的比熱容比γ。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

基于LabVIEW的空氣比熱容比測定系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：安裝LabVIEW2012的計算機（上位機）、Arduino單片機和BMP388氣壓溫度傳感器。整個系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體設(shè)計方案圖

系統(tǒng)工作時，使用虛擬儀器軟件LabVIEW2012的NI-VISA窗口配置助手通過計算機的RS-232接口向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，下位機中的Arduino單片機接收到命令后控制BMP388傳感器檢測瓶中空氣壓強和溫度，并通過I2C總線讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后打包發(fā)送給上位機。上位機對數(shù)據(jù)進行各種處理、分析，并進行存儲、顯示和相關(guān)計算，從而實現(xiàn)了在LabVIEW平臺下的可視化空氣比熱容比自動測量。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

（1）主控制器。本系統(tǒng)采用Arduino Uno R3作為主控制器，其引腳豐富，軟件程序開發(fā)效率高，庫函數(shù)豐富，硬件成品開源，價格低廉［7-9］。它的核心處理單元是ATmega328P，支持14路數(shù)字輸入輸出，支持PWM，6路模擬輸入口，可以支持方口USB或者MicroUSB接口連接進行代碼的燒錄或供電，也支持獨立電源供電，完全能滿足本實驗設(shè)計需求。

（2）傳感器。BMP388是德國博世公司（BOSCH）推出的一款24位高精度氣壓溫度傳感器，可實現(xiàn)精確的高度跟蹤，檢測大氣壓強、溫度，支持I2C／SPI接口，兼容3.3 V／5 V電平。尺寸小，低功耗、低噪聲，高精度，特別適用于無人機，精密高度計、環(huán)境監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景。相對氣壓測量精度為±8 Pa，絕對溫度測量精度為±0.5℃。BMP388由電阻式壓力傳感器、ADC、控制單元、E2PROM和I2C組成［10］。該傳感器通過I2C總線和單片機進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

（1）下位機單片機程序設(shè)計。單片機端使用Arduino集成開發(fā)環(huán)境，采用C／C＋＋語言編寫程序［7］。整個程序采用模塊化設(shè)計，主要包括：初始化程序、主程序、BMP388數(shù)據(jù)采集程序、I2C數(shù)據(jù)讀寫程序和串口中斷服務(wù)程序等。圖5所示為主程序流程圖。

圖5 單片機主程序流程圖

（2）上位機LabVIEW程序設(shè)計。本實驗上位機系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW平臺開發(fā)的，由前面板程序界面和后面板程序框圖兩部分組成［11-15］。軟件流程圖如圖6所示，LabVIEW程序通過串口通訊采集數(shù)據(jù)，并由后臺軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，最終通過前面板界面窗口輸出檢測結(jié)果和相應(yīng)測量曲線［16］。

圖6 上位機LabVIEW程序流程圖

LabVIEW前面板即程序界面如圖7所示，包括實驗參量設(shè)置及測量結(jié)果顯示。圖中：p0為初始瓶內(nèi)氣壓壓強；p1為等容放熱穩(wěn)定后瓶內(nèi)氣壓壓強；p2為等容吸熱穩(wěn)定后瓶內(nèi)氣壓壓強；γ為空氣比熱容比。從圖中可清晰地觀察到瓶內(nèi)氣體經(jīng)歷了絕熱壓縮、等容放熱、絕熱膨脹和等容吸熱4個熱力學(xué)變化過程，有助于學(xué)生更好地理解實驗原理。

圖7 LabVIEW前面板界面

如圖8所示，LabVIEW后面板程序設(shè)計與前面板功能一一對應(yīng)，主要由串口配置模塊、數(shù)據(jù)顯示導(dǎo)出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。此部分利用了NI-VISA窗口配置助手連接下位機與電腦中的LABVIEW程序。在此之前，要設(shè)置串口的相關(guān)參數(shù)配置，包括波特率、串口名稱、數(shù)據(jù)發(fā)送位數(shù)以及數(shù)據(jù)標志位。讀取到的數(shù)據(jù)存入LabVIEW程序中的數(shù)據(jù)緩存器，轉(zhuǎn)換后數(shù)值顯示在前面板中的數(shù)值顯示窗口以及溫度壓力曲線顯示波形圖表。通過LabVIEW中的簇功能將時間數(shù)據(jù)、溫度數(shù)值、壓力數(shù)值等數(shù)據(jù)捆綁到一起，再經(jīng)過移位寄存器變成數(shù)組存入到制定的Excel表格中。在結(jié)束數(shù)據(jù)采集步驟后，進行數(shù)據(jù)處理，通過編寫的程序進行空氣比熱容比的計算。

圖8 LabVIEW程序框圖

3 實驗測試及結(jié)果分析

原儀器測量5次數(shù)據(jù)如表1所示，其中理論值γ0＝1.402；p0＝101.3 kPa；p1＝p0＋p′1／2 000；p2＝p0＋p′2／2 000。200 mV讀數(shù)相當于10.0 kPa。由表1中數(shù)據(jù)求得ˉγ＝1.238，Er＝11.6%。

表1 原儀器測量壓強與溫度記錄表

運行LabVIEW程序，串口選擇“COM12”，采用連續(xù)采集方式進行實驗，輸出溫度壓力曲線如圖7所示。分別測量5次，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)求得＝1.348，Er＝3.9%。由此可見，改進后的儀器測量精度有了很大提高。

表2 改造后儀器測量壓強記錄表

4 結(jié) 語

基于LabVIEW系統(tǒng)的可視化空氣比熱容比快速測定儀實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集和溫度壓力變化曲線的實時繪制存儲，提高了實驗的可視化和自動化程度。讓學(xué)生把實踐的重點放在對整個實驗過程原理的理解和操作能力的鍛煉上，而不是花費更多的時間在數(shù)據(jù)的記錄與計算上，從而大大提高了實驗的教學(xué)效率。

該實驗儀獲得2021年第十二屆浙江省大學(xué)生物理實驗與科技創(chuàng)新競賽一等獎。