智能化多功能物理量測量儀

閆文林 ，張永祥，張冠芬

（1.首都師范大學 信息工程學院，北京 100048；2.荷澤學院 物理系，山東 荷澤 274015）

1 引言

在實驗室中，現有儀器不能任意測量單擺的簡諧振動周期和慣性稱測量不同質量物體的振動周期時計算方法過于復雜，且測量周期儀器的精確度較低，周期選擇具有一定的局限性，引用范圍太窄，只能測量10T，20T，30T，精度0.01s.通過研究發現，利用智能化多功能物理量測量儀可在1～999 個周期內任意測量，并且精度達到0.000 1s，同時，可滿足多種功能測量，簡化了實驗室儀器設備.

2 模塊設計方案及原理

2.1 整體設計方案

圖1 系統設計框圖

該測量儀的整體設計思路如圖1 所示：以AT89S52單片機為核心，利用其內部的定時／計數器完成對待測信號的周期和頻率的測量及簡諧振動周期的測量，并通過1602 液晶顯示測量數據.使用紅外傳感器采集數據，測量簡諧振動周期時，周期個數可以在1～999任意設置.利用單片機可測量頻率.因此可任意測量單擺的簡諧振動周期和慣性稱測量不同質量物體的振動周期。根據電感與頻率、電容之間的關系L=1／（4π2f2C），通過單片機測量其信號頻率來測量電感；根據電阻與周期、電容的關系R=t／（1.4C），通過單片機測量振蕩周期來測量待測電阻.

2.2 關鍵模塊設計方案以及原理

1）分頻模塊

采用雙4位二進制計數器74HC393構成二級分頻電路，可得到原信號頻率的1／16，1／256的分頻信號，如圖2所示.

圖2 分頻電路圖

2）整形模塊

整形電路見圖3.采用高頻器件，輸入信號經三極管放大以后輸入到電壓比較器中，當輸入信號頻率較高時經電壓比較器輸出的方波信號失真，所以再將比較器輸出的信號輸入到反相器74HC04中進一步整形得到較好方波信號.如果輸入的信號為TTL 信號可以不經整形電路直接輸入到下一級分頻電路，最終將信號輸入單片機.

圖3 整形電路圖

3）電阻測量模塊

測量電阻［1］，主要是將產生的周期脈沖信號連接給單片機，運用公式R=t／（1.4C），采用單片機內部的16位定時器／計數器來測量多諧振蕩電路的振蕩周期來求電阻.

4）電感測量模塊

采用CD4069 和74HC04 反相器，構成一個CMOS緩沖振蕩器，將產生的脈沖信號連接給單片機，運用公式L=1／（4π2f2C）通過測量脈沖信號頻率來求電感.

3 系統軟件設計

AT89S52有2個16位的定時器／計數器T0和T1［2］.初始化程序將T0設置為計數器，T1設置為定時器.T0是工作在計數狀態下，對測量的輸入信號進行計數，但對工作在計數狀態下的T0，最大計數值為fOSC／24，由于fOSC=12 MHz，因此，T0的最大計數頻率為500kHz.T1工作在定時狀態下，最大定時時間為65ms，達不到1s的定時，所以采用定時50ms，共定時20次，即可完成1s的定時功能.測量儀開始工作完成一次頻率或周期的測量，程序都進行測量初始化.初始化模塊是用來設置1602液晶顯示、工作寄存器、中斷控制和定時／計數器的工作方式的.

系統軟件設計采用模塊化設計方法.上電后，進入初始化模塊，系統軟件開始運行.在執行過程中，根據選擇分別調用各個功能模塊完成對應的物理量測量.程序流程圖如圖4所示.

圖4 程序流程圖

其中，k0為功能選擇鍵，通過k0選擇工作狀態，即m=0時，測量簡諧振蕩周期；m=1時，測量輸入信號周期；m=2 時，測量輸入信號頻率；m=3時，測量電阻；m=4時，測量電感.在測量簡諧振蕩周期時需要選擇周期個數，初始化默認值為10，可以通過k1鍵和k2鍵進行簡諧振蕩周期個數c的增加和減小.

4 實測結果和誤差分析

4.1 實測結果

為衡量該測量儀的工作情況和測量精度，以TFG2015GDDS函數信號發生器產生信號f 和T 為標準，對信號源進行測量，測量數據如表1～2所示.

分析：主要采用傳統的計數法［2-3］來實現周期信號測量和頻率測量，誤差主要來源主于計數誤差和閘門誤差.可通過選用穩定的單片機晶振來減少該閘門時間相對誤差.采用該測量儀可測量輸入信號的周期和頻率，且周期精度為0.000 1s，頻率精度為0.01Hz.

表1 信號頻率測量

表2 信號周期測量

4.2 測量簡諧振動周期

在測單擺的簡諧振動周期和慣性稱測不同質量物體的振動周期時，取重力加速度g=9.8N／kg作為標準，再根據公式T=2π，求出任意擺長下的標準周期T.測量數據如表3和表4所示.

表3 測單擺的簡諧振動周期

表4 慣性秤測不同質量物體的振動周期

采用計數法測量單擺的簡諧振動的周期誤差主要來自外部實驗器材受外界環境的影響.還有部分誤差是由于單片機晶振的頻率不穩定引進的計時誤差.測簡諧振動的周期時，采用了單片機內部的定時器及計數功能，取代傳統的人工計數和用數字毫秒計手動計時的方法，從而降低了實驗誤差.1～999個周期可以隨意設定，測得簡諧振動的周期精確度可以為0.000 1s.

4.3 測量電阻和電感

在測量電阻和電感大小時，通過測量頻率來間接測量電阻和電感.測量數據如表5～6所示.

表5 電阻測量

表6 電感測量

由于建立RC 穩定振蕩的時間較長，在測量電容和電阻時，應在顯示穩定后再讀取參量值.RC 振蕩的穩定性可達0.001，單片機測頻率最多誤差1個脈沖，因此由單片機測頻率引起的誤差在0.01以下.利用555定時器和待測電阻構成多諧振蕩電路，再利用單片機的定時器測量振蕩電路的振蕩周期，通過測量周期間接測得待測電阻或無極性電容，并驗證RC 振蕩電路實驗.電阻靈敏度為0.01Ω.利用CMOS反相器構成皮爾茲CMOS緩沖振蕩器，通過測量頻率間接測量電感并驗證LC 振蕩實驗，精度為0.01μH.

5 結束語

該儀器使用液晶屏顯示操作提示語句，降低了操作難度，智能性強，誤差較小并且性能穩定，數據顯示一目了然.在測量簡諧振動（如：慣性秤測不同質量物體、單擺上的簡諧振動等）的周期時，精度高、數據準確、便于操作等；在測量信號頻率和信號周期過程中，數據穩定且精度較高；在驗證RC 振蕩實驗和LC 振蕩實驗過程中，操作簡單，便于學生理解，可以廣泛應用于學生實驗和信號測量中.

［1］王秀霞.電阻電容電感測試儀的設計與制作［J］.電子技術，2012（8）：81-83.

［2］赫建國，劉立新，黨劍華.基于單片機的頻率計設計［J］.西安郵電學院學報，2003，8（3）：31-34，72.

［3］劉曉紅.頻率測量方法概述［J］.科技創新與應用，2012（20）：7.

［4］杜燦鴻.自制簡易可靠的電感測量儀［J］.無線電，2008（12）：82-83.

［5］張永瑞，劉振起，楊林耀，等.電子測量技術基礎［M］.1版.西安：西安電子科技大學出版社，2009：82-88.