智能數(shù)字毫伏表在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

陳 磊 張 凱 朱路揚 陶玉榮

摘要 智能數(shù)字毫伏表以單片機AT89S52為控制器,可對光學(xué)實驗中的光強大小進(jìn)行測量,并可對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,幫助驗證相關(guān)實驗原理。以光學(xué)單縫衍射實驗為例,討論數(shù)據(jù)的處理過程,并與理論值進(jìn)行比較。本儀器操作簡單,精度高,已應(yīng)用在單縫衍射、偏振光、雙縫干涉、楊氏模量測試等實驗中。

關(guān)鍵詞 單片機AT89S52;AD7705;毫伏表;物理實驗

中圖分類號:O4-33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)30-0108-03

Appliance of Intelligent-Digital Millivoltmeter in University Physics Experimental//Chen Lei, Zhang Kai, Zhu Luyang, Tao Yurong

Abstract Intelligent-digital millivoltmeter takes SCM AT89S52 as kernel. It can measure the intensity of light, as well as analyze and manipulate experiment data. The results can help experimenter to verify the experimental theory. Taking the case of single-slit diffraction experiment, the paper discussed the data processing and compared the data to theoretical value. The high precision apparatus is easy to manipulate, and has been applied in the single-slit diffraction experiment, polarized light experiment, double-slit interference experiment, Youngs modulus of elasticity testing experiment, etc.

Key words microcontroller AT89S52;AD7805;millivoltmeter; physical experiment

Authors address College of Physics Science Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu, 225002, China

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各種新技術(shù)不斷應(yīng)用在大學(xué)物理實驗中,為實驗的設(shè)計提供了智能化、數(shù)字化的實現(xiàn)方案。本設(shè)計利用單片機AT89S52的控制功能和16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7705的良好性能,實現(xiàn)對光強數(shù)據(jù)的采集、處理數(shù)字化,并可通過設(shè)計不同控制軟件,實現(xiàn)對不同實驗的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,幫助驗證有關(guān)實驗理論。本設(shè)計已應(yīng)用在單縫衍射、偏振光、楊氏模量測試等實驗中。這對于大學(xué)物理實驗儀器是一種改進(jìn),具有一定的實際意義和應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)原理如圖1所示,傳感器將測得的光強轉(zhuǎn)換為電壓,送給16位AD轉(zhuǎn)換器AD7705;單片機提供AD控制信號和同步時鐘等,控制AD器件進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;得到的測量數(shù)據(jù)在液晶上顯示,同時存儲在E2PROM中;測量結(jié)束后可通過鍵盤進(jìn)行功能選擇,處理顯示數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的控制部件采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52,它有8 k字節(jié)的Flash ROM和256字節(jié)RAM,有3個定時器,2個外部中斷,資源可以滿足本設(shè)計的要求。并且支持串口通信和ISP在線編程,使程序的調(diào)試和編程更加方便。

傳感器可根據(jù)不同的實驗來選擇,如果是光學(xué)實驗,可選用線性度較好的光敏電池;如果是楊氏模量實驗,可選用應(yīng)變片等。

設(shè)計中所用AD轉(zhuǎn)換器為Analog Devices公司生產(chǎn)的AD7705。AD7705利用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)16位無丟代碼性能,并可通過編程改變信號增益,對于標(biāo)準(zhǔn)2.5 V參考電壓,可實現(xiàn)量程范圍從20 mV～2.5 V的選擇,轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生串行數(shù)字輸出。這個測量范圍可滿足一般傳感器的輸出范圍需要。

設(shè)計中所用存儲元件是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C08,這種存儲元件接口簡單,支持2線制串行I2C協(xié)議,數(shù)據(jù)可保存100年,并支持百萬次的擦寫;容量為1 k字節(jié),可存儲16位的數(shù)據(jù)512個。如果測量數(shù)據(jù)較多,不改變其他電路,直接換用AT24C16等更大容量的E2PROM即可。

信息顯示是使用點陣字符液晶顯示器,該顯示器可同時顯示2行16列共32個字符,在實驗室環(huán)境中顯示效果良好,完全滿足系統(tǒng)信息的顯示需要。另外使用2個LED指示狀態(tài),紅色LED用來指示電源正常;綠色LED正常熄滅,系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時閃亮,并配合蜂鳴器提醒使用者。

本設(shè)計預(yù)留ISP在線編程接口和與計算機通訊用串口,便于對系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級和測試使用。

各硬件模塊的具體電路圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過AT89S52的ISP編程接口,可隨時對程序存儲器中的控制程序進(jìn)行修改,方便調(diào)試。正常使用后可用于控制程序的升級,方便地將本設(shè)計應(yīng)用在多個物理實驗中。下面以單縫衍射實驗為例,說明軟件的控制過程。

硬件系統(tǒng)應(yīng)用在單縫衍射實驗中時,光強傳感器可選用光敏電池,直接將照射光強轉(zhuǎn)換為mV級的電壓值。

根據(jù)在實驗室環(huán)境中測試,He-Ni激光器完全照射在光電池上轉(zhuǎn)換電壓不超過500 mV,所以AD7705的增益選擇為4,在標(biāo)準(zhǔn)參考電壓2.5 V的情況下,測量范圍為0～625 mV,確保輸入不會超出量程。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理都是由單片機控制實現(xiàn),設(shè)計過程采用模塊化程序設(shè)計思想,用C語言編寫[1],由主監(jiān)控模塊、AD數(shù)據(jù)采樣控制模塊、LCD顯示模塊、E2PROM讀寫模塊、按鍵掃描模塊等組成。控制程序流程圖見圖3。

系統(tǒng)復(fù)位后,分別對蜂鳴器、LCD、E2PROM、AD、LED顯示器進(jìn)行自檢。自檢通過后,自動測量環(huán)境光強,作為本底值存儲下來。按任意鍵進(jìn)入測量狀態(tài)后,查詢按鍵輸入。之后的各種操作,程序正常停留狀態(tài)就是“測量”“查看原始數(shù)據(jù)”“查看歸一化數(shù)據(jù)”3種。程序設(shè)計中因為注意模糊性控制,在系統(tǒng)正常運行情況下,按任意功能鍵都會最后歸結(jié)到上述3種狀態(tài)中的一種,不會出現(xiàn)因按鍵錯誤死機、丟失數(shù)據(jù)等情況發(fā)生,保證程序運行的穩(wěn)定性。

在進(jìn)入測量狀態(tài)后,按一次測量鍵,對當(dāng)前位置采樣6次,然后系統(tǒng)對6個數(shù)據(jù)用競賽評分法進(jìn)行處理:去除一個最大值和一個最小值,剩下的4個值取平均。這樣可起到低通濾波的效果,以減小實驗過程中環(huán)境光強變化和系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲引起的隨機誤差。處理結(jié)果去除本底值后在E2PROM中存儲,并在字符液晶上顯示。

測量結(jié)束后,按歸一化處理按鍵,即對所有數(shù)據(jù)查找最大值,并以此值為標(biāo)度進(jìn)行歸一化處理,在LCD上顯示相應(yīng)百分比。如果刪除數(shù)據(jù)或再增加測量數(shù)據(jù),程序可自動判斷,再查看歸一化數(shù)據(jù)時是否要重新歸一化處理。

存儲在E2PROM中的數(shù)據(jù)掉電后仍然保留,可防止實驗中意外掉電造成數(shù)據(jù)丟失。在下次重啟系統(tǒng)自檢后,按“查看原始數(shù)據(jù)”鍵即可顯示上次實驗的數(shù)據(jù)。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

以在單縫衍射實驗中的應(yīng)用為例。按實驗要求[2]調(diào)整好實驗裝置后,多次改變單縫寬度,利用智能數(shù)字毫伏表測量得15組數(shù)據(jù)(表1),對表中數(shù)據(jù)作圖進(jìn)行分析(圖4)。

根據(jù)夫瑯和費單縫衍射理論,第一次極大與主極大的理論比值為0.047,第二次極大與主極大的比值為0.017[3]。從表2中可以看出,第一次極大與主極大的比值相對于理論值的平均誤差為8.09%,第二次極大與主極大的比值相對于理論值的平均誤差為11.25%。

4 誤差原因分析及改進(jìn)措施

經(jīng)過分析,系統(tǒng)測量中可能產(chǎn)生誤差的原因有以下幾點。

1)從測量的數(shù)據(jù)中看,左側(cè)第一次極大和第二次極大值都比理論值小,而右側(cè)的第一次極大和第二次極大值都比理論值大,說明測量中單縫并未直接對準(zhǔn)光源,造成左右光強不等。這一誤差即使是反復(fù)調(diào)節(jié)也無法消除。

2)測量點光強太強會造成光電池的S-W效應(yīng)(光致衰退效應(yīng)),而使得AD的采樣值不穩(wěn)定。經(jīng)多次測量后發(fā)現(xiàn),在實驗室條件下,調(diào)節(jié)單縫寬度,使得主極大條紋在2 cm左右時,S-W效應(yīng)不太明顯,但不能完全消除。

3)測量雖然已測得環(huán)境光的本底光強,并在后期處理顯示中已減去本底光強值,但測量過程中環(huán)境光的改變,如實驗人員的走動、室外光照角度的變化等都會造成測量中的誤差。

5 總結(jié)

智能數(shù)字毫伏表有精度高、易操作、可擴(kuò)展性好的特點。通過測試表明,硬件研制完成后,針對不同實驗可方便地進(jìn)行二次開發(fā):根據(jù)不同實驗編寫相關(guān)控制軟件,即可應(yīng)用于多個大學(xué)物理實驗中,進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量、存儲和處理,以供實驗者分析、驗證相關(guān)實驗理論。目前已應(yīng)用在單縫衍射、偏振光、雙縫干涉、楊氏模量測試等實驗中,具有一定的實際意義和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]馬忠梅,等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:55-204

[2]謝敬輝,等.物理光學(xué)教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005:170-173

[3]周殿清.大學(xué)物理實驗[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002:278-281