用單片機(jī)自制重力加速度測試儀

吳愛華

(黃石二中 湖北 黃石 435000)

1 測試原理

測量重力加速度，最關(guān)鍵的是計時精度，目前常用實驗儀器的計時精度都在毫秒級，還存在操作上的時間誤差，比如電磁鐵，反應(yīng)時間在3～10 ms．而高速光電開關(guān)的反應(yīng)時間僅僅是幾個微秒[1]，結(jié)合單片機(jī)精確計時和自動控制能力，可以大幅提高測量精度，而且操作非常簡單．測試原理如圖1．

圖1 光電開關(guān)測量重力加速度示意圖

該儀器有3個特點(diǎn)．其一，采用長600 mm的有機(jī)玻璃板作重物，替代通常測試中的鋼珠．由測試質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動到達(dá)時間,變?yōu)闇y試有一定長度物體的通過時間,使自動測量成為可能．有機(jī)玻璃板上面設(shè)置了多段遮光部分，故取名遮光板；其二，采用光電開關(guān)作為傳感器；其三，采用單片機(jī)作為計時單元和自動控制單元．遮光板的構(gòu)造如圖2．

圖2 遮光板結(jié)構(gòu)圖

有機(jī)玻璃板長600mm，寬60mm，厚10mm．遮光板兩頭各留50mm透光部分，中間用黑色材料按圖2粘貼好．黑色部分起遮擋光線作用．當(dāng)遮光板做自由落體運(yùn)動、通過光電開關(guān)時，會輸出一列脈沖，如圖3．

圖3 光電管輸出脈沖

圖3中有5個時間段．T1,T3,T5為低電平，對應(yīng)遮光板黑色部分．T2,T4為高電平，對應(yīng)遮光板透光部分．脈沖的寬度與通過的時間對應(yīng)，通過的時間越短脈沖寬度就越窄．把這列脈沖輸入到單片機(jī)里，由單片機(jī)對這5個時間段進(jìn)行計時．這樣，就能計算出遮光板各個部分的平均速度，然后，再計算出重力加速度．當(dāng)然，這些計算工作也可以由單片機(jī)來完成．

2 電路原理

儀器電路原理圖如圖4(b)．圖中，分為通訊、光電傳感器、單片機(jī)、電源、指示5個部分．顯示部分可以采用成品顯示器，也可以直接和電腦連接．在此不做介紹．

圖4

(1)傳感器部分

傳感器部分是一個非常關(guān)鍵的部分．紅外發(fā)射管和紅外接收管采用配對管．兩管距離太近，遮光板下落時容易發(fā)生碰撞，距離太遠(yuǎn)傳感器靈敏度會降低．該儀器兩管間距為64 mm．兩管用專用的∏型結(jié)構(gòu)密封盒封裝．以保證發(fā)射窗口和接收窗口處于同一直線上，并且確保自然光對光電傳感器不產(chǎn)生干擾．

(2)單片機(jī)部分

如圖4(a)光電傳感器輸出信號經(jīng)過兩個反向門，產(chǎn)生兩個相位相反的時間信號，分別連接到單片機(jī)的INT0,INT1兩個輸入端．分別用單片機(jī)的兩個定時器輪流進(jìn)行計時，以保證在中斷處理時，不會影響到計時精度．其中一個對T1，T3，T5計時，另一個對T2，T4計時．單片機(jī)晶振選用12 MHz，計時頻率采用不分頻模式，計時基準(zhǔn)為1 μs[2]．單片機(jī)有一個按鍵輸入，兩個指示燈輸出．當(dāng)按鍵按下時，單片機(jī)處于計時準(zhǔn)備狀態(tài)，同時輸出一個信號，點(diǎn)亮準(zhǔn)備指示燈．另一個計時指示燈是自動控制的．當(dāng)T1的下降沿到來時開始計時，計時指示燈亮．當(dāng)T5的上升沿到來時，計時結(jié)束，計時指示燈滅，同時準(zhǔn)備指示燈滅，儀器恢復(fù)到初始狀態(tài)．

該儀器采用文獻(xiàn)[2]提供的STC12C4052AD單片機(jī)，如圖4(a)．

(3)顯示部分

顯示部分可以自制，也可以采用成品顯示屏，這里介紹一種最簡單的方式．用R232通訊電纜，將單片機(jī)R232串口與手提電腦R232串口直接相連，在手提電腦上運(yùn)行一個串口調(diào)試程序，測試結(jié)果就可以顯示到手提電腦上．

(4)通訊部分

通訊部分的作用是將單片機(jī)的串口變換成標(biāo)準(zhǔn)的R232串行通訊接口，方便連接．

(5)指示燈

共有4個指示燈，分別為電源指示、遮光指示、準(zhǔn)備指示、計時指示．其中遮光指示是讓學(xué)生可以直觀地觀察光電開關(guān)紅外線被遮擋的狀態(tài)，同時也便于儀器的調(diào)試．

(6)電源部分

電源采用一個5 V，500 mA直流穩(wěn)壓電源．

(7)軟件部分

軟件部分為一個主程序、兩個中斷服務(wù)程序、一個通訊程序．在此不做介紹．

參考文獻(xiàn)

1 李朝青．單片機(jī)原理及接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．171

2 深圳宏晶科技有限公司．STC12C2052AD系列單片機(jī)器件手冊．2006． 53