重力加速度智能測試儀的研究與設計

范宜標，郭惠蕓

龍巖學院物理與機電工程學院，福建龍巖 364000

0 引言

物理學中研究物體運動規律的重要手段之一就是重力加速度的測量，而重力加速度的測量是普通物理學的教學過程中一個必不可少的實驗教學環節。目前，傳統測量重力加速度方法都有各自的優缺點，測量結果的精確度也不盡相同，但總體來說所測出的實驗數據精確度普遍較低，計算量大，效率較低且誤差較大[1]。我們利用紅外傳感器檢測技術、單片機智能控制技術、LCD顯示技術，設計了一種較精確的計時、計算、存儲、數據顯示的智能重力加速度測試儀，提高了實驗測量精度和效率。

1 測量基本原理

通常普通物理學的實驗教學中測量物體的重力加速度可采用“落球法”和“單擺法”[2]。本設計采用的是“落球法”，“落球法”測量原理如圖1所示。測量之前小鋼球P 被繼電器電磁線圈吸住，開始測量時電磁線圈斷電，小球受重力作用而下落，途經A 、B、C、D各點. 設到達A點時的初速度為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段下落時間分別為t1、t2，根據物體勻加速直線運動方程可得。

由此可見，時間的精度將直接影響重力加速度的測量準確性。在測量過程中存在隨機誤差， 因此需要反復測量多次以便獲得多個測量數據。由于在多次測量過程中會因其它各種原素而引入人為誤差較大， 因此必須對測量數據進行處理，剔除壞值，最后才能獲得正確的測量結果。本文所設計的智能化重力加速度測試儀含有STC12C5204AD單片機，利用其內部的定時器可進行精確的時間測量， 并可一次測得多個數據。通過單片機可自動完成數據的測量和處理，這就極大地提高測量精度和測量效率。

2 重力加速度智能測試儀的工作原理

高精度重力加速度測試儀的工作原理示意圖，如圖2所示。按下啟動按鈕，物體下落。在下落的過程中，采用4組紅外傳感器把物體經過2段固定距離的時間t進行檢測，將檢測到的電信號反饋給單片機，單片機通過對采集的數據進行處理計算，并將結果顯示在LCD屏幕上。雙色指示燈將顯示其工作狀態，即紅色為開始狀態，橙色為數據處理結束顯示狀態。

圖1

圖2 工作原理示意圖

3 重力加速度智能測試儀的硬件和軟件設計

3.1 紅外傳感器檢測電路

如圖3所示，該模塊由紅外發射端（D1）、紅外接收端（D2）用于采集信號、電位器（RT）、電壓比較器（LM393）和限流電阻組成[3]。并通過調節RT可以改變D1和D2工作持續時間。連接到定時器T2的捕捉輸入端，每個紅外檢測器的輸出都可以啟動單片機內部定時器T2進行捕捉，從而可以一次測出小球經過各點時的下落時間ti。其主要作用是將物體經過兩段固定距離的時間t進行檢測并將檢測到的電信號反饋給單片機進行處理計算。

圖3 紅外傳感器檢測電路圖

3.2 單片機處理核心以及指示顯示電路

如圖5所示，單片機采用的是STC12C5204AD型，該型號的單片機具有以下功能：A/D轉換，8位精度ADC，共8 路，轉換速度可達300K/S；共4個16位定時器；有EEPROM等功能符合設計的需要顧選擇該型號的單片機，在電路中起到數據處理計算的核心作用[4]。指示電路主要采用雙色燈。其工作狀態即紅色（1腳）為開始狀態，橙色（3腳）為數據處理結束顯示狀態。顯示電路采用的是LCD1602型的液晶顯示屏，是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊[5]，這里主要是對時間t1、t2和重力加速度g值的顯示。

圖5 單片機處理核心以及指示電路圖

3.3 軟件設計

電路部分的控制中心以及數據的計算和處理主要由單片機來完成，主程序采用循環結構，程序開始時啟動電磁鐵，此時銜鐵吸住測試鋼柱，指示燈顯示為紅色表示準備就緒并可以開始試驗，隨即轉入等待外部中斷狀態。外部中斷服務程序用于測定數據與計算以及顯示結果，當CPU檢測到外部中斷按鈕按下時，電磁鐵釋放鋼柱，鋼珠落下依次經過四個紅外傳感器并由CPU記錄其通過這些傳感器的時間間隔，指示燈此時為綠色表示正在測定結果中。最后指示燈轉為橙色表示測試結束，假如測定過程正常即顯示測定結果，異常則不顯示提示需重新測量。

4 應用效果

實驗參數為：測量點AB距離：10cm；測量點CD距離：10cm；測量區域間距:20cm。測量結果統計圖，如圖7所示。

圖7 測量統計圖

由統計圖觀察可知，所測的當地重力加速度（g）的值基本維持在9.77-9.79之間，這值和當地的重力加速度的值（據查約9.78）相符。

在實驗過程中，各個計時區段的時間有些浮動，原因在于時間計算電路計時十分精確，重物落下的起始位置稍有偏差就會造成誤差，同時玻璃管壁存在一定的摩擦阻力，也會影響測定結果的準確性，這也是需要進一步改進的方面。

5 結論

本文所介紹的智能化重力加速度測試儀，將計算機技術與測量技術有機結合，數據由儀器內部的單片機自動完成各種數據處理和誤差計算。由于只需要進行一次測量，可極大地減少人為因素而導致的各種較大誤差，提高測量準確度。適合于在課堂上作演示實驗，提高學生的學習興趣，改善實驗環境。

[1]徐愛鈞，彭秀華.單片微型計算機在重力加速度測試中的應用[J].大學物理，1998，11：19-20.

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

[3]馮柏群，祁和義.監測與傳感技術[M].北京：人民郵電出版社，2008：11-13.

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

[5]孫傳友，孫曉斌，張一.感測技術與系統設計[M].北京：科學出版社，2004：302-303.