單片機在重力加速度測量中的創新應用

滕德虎

（安徽省蕪湖機械工程學校 安徽省蕪湖市 241200）

自由落體重力加速度測量是中學物理教學中的一個重要實驗，也是大學普通物理實驗課程中最基本的驗證性實驗之一，在物理學中占有重要地位。目前，該實驗原理是讓小球自由下落，通過測量小球下落過程中的上端距離h1、全程距離h2和上端時間t1、全程時間t2，根據導出式g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1)計算重力加速度大小。其測量裝置主要有支架、電磁鐵、三個光電門、小球、接球盒、鉛垂線和電子計時器組成。

這種測量方式需要手工記錄測量數據并進行復雜計算，數據管理手段簡陋、效率低下。

為了避免以上缺點，可將單片機測量的時間發送到計算機專用軟件，自動計算、顯示和存儲測量結果及相關數據。其數據處理流程如圖1所示。

圖1：數據處理方框圖

1 計時器改裝

計時器由光電門數據輸入接口電路、單片機數據處理電路、數據輸出電路電路構成，用于測量數據的采樣、處理與發送。

三個光電門與對應的三路兩級開關電路連接，構成數據輸入電路。圖2 為上端光電門及相應的輸入接口電原理圖。

圖2：上端光電門輸入接口電原理圖

光路連通時，光電接收管電阻很小，光電門輸出高電平，Q11導通、Q12 截止，光路指示燈DS1 熄滅，電路輸出高電平。光路切斷時，光電接收管電阻很大，光電門輸出低電平，Q11 截止、Q12導通，光路指示燈DS1 點亮，電路輸出低電平。中間光電門和下端光電門及其接口電路與之相仿。

單片機采用STC89C52 芯片，以廠家數據手冊推薦的典型電路構建最小系統。

上、中、下三路輸入接口電路將光路信號分別輸入到單片機三個控制引腳，以控制單片機內部程序運行。光路連通時，該三個引腳為高電平。當小球下落至上端光電門時，光路斷開，對應引腳被置低電平，內部計時器TIMER0 開始計時；當小球下落至中間光電門時，對應引腳被置低電平，程序第一次讀出TIMER0 計時值，也就是小球從上端光電門到中間光電門的下落時間；當小球下落至下端光電門時，對應引腳被置低電平，程序第二次讀出TIMER0 計時值，也就是小球從上端光電門到下端光電門的下落時間，同時將兩次讀出的時間數據通過輸出接口發送給計算機專用測量軟件，并復位單片機內部測量數據，為下一次實驗做好準備。其具體程序如下：

輸出接口電路采用CH340G 芯片，使用廠家推薦的典型電路實現串口通信。

計時器采用5V 電源，功率約為1W，直接由計算機USB 口供電。

2 測量軟件的開發與應用

自由落體重力加速度測量實驗專用軟件由Visual FoxPro 開發，它是一個無需安裝的綠色小軟件。其主界面用于測試環境數據輸入和測試結果顯示，如圖3所示。

圖3：重力加速度測量主界面

測量時，用戶要事先選擇實驗城市，并輸入小球下落的上端高度和全程高度；小球下落后，單擊“接收數據”按鈕，軟件即可自動收集、計算和保存數據，并立即顯示測量結果。

為了方便使用，軟件提供了數據瀏覽和管理功能，也可以將測量數據導出到Excel 文件，便于分析、打印。

改進后的測量裝置經上千次實驗，其計時結果可精確到0.1 毫秒，既有效提高測量精度，同時，利用開發的專用軟件自動收集、計算和保存測量數據，避免復雜運算，大大提高工作效率。