一種基于AT89S52的經、緯度和重力加速度測量儀

【摘 要】本文介紹了一種將GPS模塊與重力加速度的測量相結合，使測量數據和數據處理一體化，使實驗過程簡單化，能快速測量某地的經、緯度和重力加速度的測量儀。

【關鍵詞】AT89S52；GPS；經、緯度；重力加速度

【Abstract】This thesis introduces an instrument for rapidly measuring the longitude，latitude and acceleration of gravity of certain location， which integrates GPS Module and the measurement of Acceleration of Gravity and simplify the experimental process.

【Key words】AT89S52；GPS；Longitude、Latitude；Acceleration of Gravity

0 引言

在力學實驗中，通常測量重力加速度[1]的方法有：（1）用電火花描跡儀測量自由落體的重力加速度。此方法由于比較繁瑣和誤差比較大在實際應用中逐漸被淘汰；（2）用重力加速度測量儀來測量重力加速度。此方法是通過光電門得到物體的下降時間，并由數字毫秒機顯示，通過設定不同的距離進行多次測量，然后按最小二乘法進行手工計算求得重力加速度值。此方法存在兩個主要缺陷：a.光電門工作時受外界影響比較大，裝置穩定性較低；b.需要手工計算疲感不便，不可避免由于計算帶來的誤差。

為了使實驗過程簡單以及提高實驗結果的準確性，我們對傳統的重力加速度測量儀進行了改進。應用霍爾元件來采集信號，這樣大大增強了儀器的抗干擾能力，并且增加了所需采集信號的個數，這樣避免了傳統重力加速度儀需要多次測量的弊端；利用單片機[2]對裝置進行信號檢測，省去了原實驗裝置中用的數字毫秒計；利用單片機進行較精確的計時并完成有關計算過程，進一步顯示計算結果；同時裝置還增加了GPS模塊，這樣就可以精確的測量顯示某地的重力加速度值，方便對各地的重力加速度值進行測量、記錄；此裝置還增加了通過單片機對測量數據的存儲、打印，以及與上位機進行聯網的功能；為了人性化，我們優化了裝置的顯示功能，增加了時間、日期功能。

1 實驗裝置電氣部分組成

實驗裝置的電氣部分主要有霍爾元件開關、單片機、GPS模塊、LCD液晶、相應的電路以及相應的軟件等部分組成。

四個霍爾開關的輸出信號通過接口電路后送到單片機，在第一個霍爾開關接受到外部信號時打開單片機中的定時計數器開始計時，以檢測磁柱下降的時刻以及經過相鄰兩個霍爾開關所經歷的時間。當三段時間測得后，由單片機完成所有計算，最后實驗結果通過顯示器顯示。

1.1 單片機部分硬件的設計

實驗裝置硬件主要有單片機及其外圍電路組成，去掉了原實驗裝置的數字毫秒計，增加了四個霍爾開關，具體電路如圖2所示。霍爾開關信號的輸出經過rs觸發器（接口電路）產生與磁柱經過時間成正比的脈沖，該脈沖送入AT89S52

單片機的定時計數單元，并作為定時計數器的啟動信號，從而測得小球經過四個霍爾開關的時間。增加的六個鍵盤按鈕不僅可以對時間、日期進行調整，而且可以方便的選擇不同的工作模塊。GPS模塊與單片機相連，將實時經度、維度顯示在LCD液晶屏上。

1.2 軟件部分設計

程序主要工作流程如圖3所示。軟件主要有GPS數據處理、數據的輸入、計算以及顯示等模塊組成。由于最小二乘法原理就是要獲得最可靠地測量結果，使各個測量數字的殘余物差的平方和最小。在組合測量、試驗曲線的擬合以及其他學科等方面都得到廣泛應用，所以實驗結果使用最小二乘法來處理數據，以提高數據處理的準確性。

2 計算公式的優化

設霍爾開關對應位置為A，B，C，D。AB之間的距離為S1，BC之間的距離為S2，CD之間的距離為S3，BD之間的距離為S4，AB之間的時間為t1，BC之間的時間為t2，CD之間的時間為t3，BD之間的時間為t4。

用以下的公式就可以求出三個重力加速度值，再求出三個重力加速度的平均值便可以得到所需要求的重力加速度值。

3 結束語

應用霍爾元件來采集信號，這樣大大增強了儀器的抗干擾能力，并且增加了所需采集信號的個數，這樣避免了傳統重力加速度儀需要多次測量的弊端。利用單片機對裝置進行信號檢測，省去了原實驗裝置中用的數字毫秒計。利用單片機進行較精確的計時并完成有關計算過程，進一步顯示計算結果。增加了GPS模塊，這樣就可以精確的測量顯示某地的經、緯度和重力加速度值，方便對各地的重力加速度值進行測量、記錄。

【參考文獻】

[1]趙近芳.大學物理學[M].北京郵電大學出版社，2011，12：133.

[2]楊桂林.智能化測量重力加速度的實驗研究[J].海南大學學報，2012，12：229.

[責任編輯：薛俊歌]