基于LabVIEW的空氣比熱容比測定系統設計

徐一清， 倪涌舟， 周益民， 周國泉

（浙江農林大學光機電工程學院，杭州 311300）

0 引 言

理想氣體的摩爾定壓熱容cp，m和摩爾定體熱容cV，m之比γ稱為氣體的比熱容比，又稱為氣體的絕熱指數，是一個重要的熱力學參量，在工程技術的絕熱或近似絕熱的過程中應用廣泛［1-2］?？諝獗葻崛荼葴y定是大學物理實驗課中開設比較普遍的熱學實驗，測定γ的方法有多種，絕熱膨脹法是其中常用的一種［3-5］。本實驗在測量過程中經歷了4個熱力學過程，在4個過程中瓶內溫度和壓強都在不斷變化。傳統實驗中觀察溫度壓強變化的方式是觀察數字電壓表數值的瞬時變化，實驗結束只能得到平衡狀態時的數值，不便于觀察裝置內狀態的實時變化。另外，傳統實驗數據顯示為電壓值，需要進行一定的關系式轉換才能成為實際的大氣壓強和溫度，不夠直觀方便，實驗裝置所用傳感器靈敏度也相對較低，讀取數據存在延遲。針對上述不足，本文將傳統測量裝置與計算機相結合，利用LabVIEW程序和串口通信技術，實現了氣壓溫度數據在計算機上的自動采集和處理，促進了實驗教學的數字化、信息化。

1 實驗原理及裝置

本實驗所用傳統儀器為FD-NCD-Ⅱ型空氣比熱容比測定儀，它由擴散硅壓力傳感器、集成溫度傳感器（AD590）、測量儀表（裝有數字電壓表、直流穩壓電源、固定取樣電阻等）、大玻璃容器、充氣球及導線等組成。瓶內氣體的溫度和壓強可以通過溫度傳感器和壓差傳感器測量并在主機上以電壓的形式顯示［6］。改造后的實驗裝置如圖1所示，由BMP388氣壓溫度傳感器替代了原壓力和溫度傳感器，由計算機替代了原數字電壓表，實現了氣壓溫度數據實時采集、快速分析繪圖和空氣比熱容比自動計算等功能，提高了實驗的可視化和自動化程度，使得系統的視覺效果更好，人機交互性更強。

圖1 改進后的空氣比熱容比測定系統

絕熱膨脹法測量空氣比熱容比變化過程如圖2所示。以貯氣瓶內空氣作為研究對象的熱力學系統（見圖3）進行如下實驗過程［3］。首先關閉放氣活塞B，打開進氣活塞A，用充氣球D向封閉的瓶內均勻打氣，充入一定量的氣體，然后關閉進氣活塞A。此時瓶內空氣被壓縮，壓強增大，溫度升高，氣壓溫度傳感器C檢測輸出相應信號，待瓶內氣體溫度穩定時，即達到與周圍溫度（室溫）平衡，此時的氣體處于狀態Ⅰ（p1，V1，T0）。之后迅速打開放氣活塞B，使瓶內氣體與大氣相通，當瓶內壓強降至p0，聽到放氣聲消失時，立刻關閉放氣活塞B。由于放氣過程較快，瓶內保留的氣體來不及與外界進行熱量交換，可以認為是一個絕熱膨脹過程。在此過程后瓶內保留的氣體由狀態Ⅰ（p1，V1，T0）轉變為狀態Ⅱ（p0，V2，T1）。V2為貯氣瓶體積，V1為保留在瓶內這部分氣體在狀態Ⅰ時的體積。由于瓶內氣體溫度T1低于室溫T0，因此瓶內氣體慢慢從外界吸熱，直至達到室溫T0為止，此時瓶內氣體壓強也隨之增大為p2，則穩定后的氣體狀態為狀態Ⅲ（p2，V2，T0）。從狀態Ⅱ到狀態Ⅲ的過程可以看作是等容吸熱的過程。狀態Ⅰ→狀態Ⅱ是絕熱過程，由絕熱過程方程得：

圖2 氣體狀態變化過程

圖3 實驗裝置示意圖

狀態Ⅰ和狀態Ⅲ的溫度均為T0，由氣體狀態方程得：

合并式（1）和（2），得：

由式（3）可以看出，只要測出p0、p1、p2，就可以求得空氣的比熱容比γ。

2 系統整體設計方案

基于LabVIEW的空氣比熱容比測定系統主要由三部分構成：安裝LabVIEW2012的計算機（上位機）、Arduino單片機和BMP388氣壓溫度傳感器。整個系統的設計方案如圖4所示。

圖4 系統整體設計方案圖

系統工作時，使用虛擬儀器軟件LabVIEW2012的NI-VISA窗口配置助手通過計算機的RS-232接口向下位機發送數據采集命令，下位機中的Arduino單片機接收到命令后控制BMP388傳感器檢測瓶中空氣壓強和溫度，并通過I2C總線讀取數據，經轉換后打包發送給上位機。上位機對數據進行各種處理、分析，并進行存儲、顯示和相關計算，從而實現了在LabVIEW平臺下的可視化空氣比熱容比自動測量。

2.1 系統硬件設計方案

（1）主控制器。本系統采用Arduino Uno R3作為主控制器，其引腳豐富，軟件程序開發效率高，庫函數豐富，硬件成品開源，價格低廉［7-9］。它的核心處理單元是ATmega328P，支持14路數字輸入輸出，支持PWM，6路模擬輸入口，可以支持方口USB或者MicroUSB接口連接進行代碼的燒錄或供電，也支持獨立電源供電，完全能滿足本實驗設計需求。

（2）傳感器。BMP388是德國博世公司（BOSCH）推出的一款24位高精度氣壓溫度傳感器，可實現精確的高度跟蹤，檢測大氣壓強、溫度，支持I2C／SPI接口，兼容3.3 V／5 V電平。尺寸小，低功耗、低噪聲，高精度，特別適用于無人機，精密高度計、環境監測和物聯網等應用場景。相對氣壓測量精度為±8 Pa，絕對溫度測量精度為±0.5℃。BMP388由電阻式壓力傳感器、ADC、控制單元、E2PROM和I2C組成［10］。該傳感器通過I2C總線和單片機進行數據傳輸。

2.2 系統軟件設計方案

（1）下位機單片機程序設計。單片機端使用Arduino集成開發環境，采用C／C＋＋語言編寫程序［7］。整個程序采用模塊化設計，主要包括：初始化程序、主程序、BMP388數據采集程序、I2C數據讀寫程序和串口中斷服務程序等。圖5所示為主程序流程圖。

圖5 單片機主程序流程圖

（2）上位機LabVIEW程序設計。本實驗上位機系統軟件是基于LabVIEW平臺開發的，由前面板程序界面和后面板程序框圖兩部分組成［11-15］。軟件流程圖如圖6所示，LabVIEW程序通過串口通訊采集數據，并由后臺軟件實現數據的分析和處理，最終通過前面板界面窗口輸出檢測結果和相應測量曲線［16］。

圖6 上位機LabVIEW程序流程圖

LabVIEW前面板即程序界面如圖7所示，包括實驗參量設置及測量結果顯示。圖中：p0為初始瓶內氣壓壓強；p1為等容放熱穩定后瓶內氣壓壓強；p2為等容吸熱穩定后瓶內氣壓壓強；γ為空氣比熱容比。從圖中可清晰地觀察到瓶內氣體經歷了絕熱壓縮、等容放熱、絕熱膨脹和等容吸熱4個熱力學變化過程，有助于學生更好地理解實驗原理。

圖7 LabVIEW前面板界面

如圖8所示，LabVIEW后面板程序設計與前面板功能一一對應，主要由串口配置模塊、數據顯示導出模塊和數據處理模塊組成。此部分利用了NI-VISA窗口配置助手連接下位機與電腦中的LABVIEW程序。在此之前，要設置串口的相關參數配置，包括波特率、串口名稱、數據發送位數以及數據標志位。讀取到的數據存入LabVIEW程序中的數據緩存器，轉換后數值顯示在前面板中的數值顯示窗口以及溫度壓力曲線顯示波形圖表。通過LabVIEW中的簇功能將時間數據、溫度數值、壓力數值等數據捆綁到一起，再經過移位寄存器變成數組存入到制定的Excel表格中。在結束數據采集步驟后，進行數據處理，通過編寫的程序進行空氣比熱容比的計算。

圖8 LabVIEW程序框圖

3 實驗測試及結果分析

原儀器測量5次數據如表1所示，其中理論值γ0＝1.402；p0＝101.3 kPa；p1＝p0＋p′1／2 000；p2＝p0＋p′2／2 000。200 mV讀數相當于10.0 kPa。由表1中數據求得ˉγ＝1.238，Er＝11.6%。

表1 原儀器測量壓強與溫度記錄表

運行LabVIEW程序，串口選擇“COM12”，采用連續采集方式進行實驗，輸出溫度壓力曲線如圖7所示。分別測量5次，記錄數據如表2所示。由表2中數據求得＝1.348，Er＝3.9%。由此可見，改進后的儀器測量精度有了很大提高。

表2 改造后儀器測量壓強記錄表

4 結 語

基于LabVIEW系統的可視化空氣比熱容比快速測定儀實現了數據的自動采集和溫度壓力變化曲線的實時繪制存儲，提高了實驗的可視化和自動化程度。讓學生把實踐的重點放在對整個實驗過程原理的理解和操作能力的鍛煉上，而不是花費更多的時間在數據的記錄與計算上，從而大大提高了實驗的教學效率。

該實驗儀獲得2021年第十二屆浙江省大學生物理實驗與科技創新競賽一等獎。