重力加速度智能测试仪的研究与设计

2012-10-15范宜标郭惠芸

科技传播 2012年23期

范宜标，郭惠芸

龙岩学院物理与机电工程学院，福建龙岩 364000

0 引言

物理学中研究物体运动规律的重要手段之一就是重力加速度的测量，而重力加速度的测量是普通物理学的教学过程中一个必不可少的实验教学环节。目前，传统测量重力加速度方法都有各自的优缺点，测量结果的精确度也不尽相同，但总体来说所测出的实验数据精确度普遍较低，计算量大，效率较低且误差较大[1]。我们利用红外传感器检测技术、单片机智能控制技术、LCD显示技术，设计了一种较精确的计时、计算、存储、数据显示的智能重力加速度测试仪，提高了实验测量精度和效率。

1 测量基本原理

通常普通物理学的实验教学中测量物体的重力加速度可采用“落球法”和“单摆法”[2]。本设计采用的是“落球法”，“落球法”测量原理如图1所示。测量之前小钢球P 被继电器电磁线圈吸住，开始测量时电磁线圈断电，小球受重力作用而下落，途经A 、B、C、D各点. 设到达A点时的初速度为V0，从起始端至A及AB、BC、CD各段的距离是相等的为h ，其间AB、CD段下落时间分别为t1、t2，根据物体匀加速直线运动方程可得。

由此可见，时间的精度将直接影响重力加速度的测量准确性。在测量过程中存在随机误差，因此需要反复测量多次以便获得多个测量数据。由于在多次测量过程中会因其它各种原素而引入人为误差较大，因此必须对测量数据进行处理，剔除坏值，最后才能获得正确的测量结果。本文所设计的智能化重力加速度测试仪含有STC12C5204AD单片机，利用其内部的定时器可进行精确的时间测量，并可一次测得多个数据。通过单片机可自动完成数据的测量和处理，这就极大地提高测量精度和测量效率。

2 重力加速度智能测试仪的工作原理

高精度重力加速度测试仪的工作原理示意图，如图2所示。按下启动按钮，物体下落。在下落的过程中，采用4组红外传感器把物体经过2段固定距离的时间t进行检测，将检测到的电信号反馈给单片机，单片机通过对采集的数据进行处理计算，并将结果显示在LCD屏幕上。双色指示灯将显示其工作状态，即红色为开始状态，橙色为数据处理结束显示状态。

图1

图2 工作原理示意图

3 重力加速度智能测试仪的硬件和软件设计

3.1 红外传感器检测电路

如图3所示，该模块由红外发射端（D1）、红外接收端（D2）用于采集信号、电位器（RT）、电压比较器（LM393）和限流电阻组成[3]。并通过调节RT可以改变D1和D2工作持续时间。连接到定时器T2的捕捉输入端，每个红外检测器的输出都可以启动单片机内部定时器T2进行捕捉，从而可以一次测出小球经过各点时的下落时间ti。其主要作用是将物体经过两段固定距离的时间t进行检测并将检测到的电信号反馈给单片机进行处理计算。

图3 红外传感器检测电路图

3.2 单片机处理核心以及指示显示电路

如图5所示，单片机采用的是STC12C5204AD型，该型号的单片机具有以下功能：A/D转换，8位精度ADC，共8 路，转换速度可达300K/S；共4个16位定时器；有EEPROM等功能符合设计的需要顾选择该型号的单片机，在电路中起到数据处理计算的核心作用[4]。指示电路主要采用双色灯。其工作状态即红色（1脚）为开始状态，橙色（3脚）为数据处理结束显示状态。显示电路采用的是LCD1602型的液晶显示屏，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块[5]，这里主要是对时间t1、t2和重力加速度g值的显示。

图5 单片机处理核心以及指示电路图

3.3 软件设计

电路部分的控制中心以及数据的计算和处理主要由单片机来完成，主程序采用循环结构，程序开始时启动电磁铁，此时衔铁吸住测试钢柱，指示灯显示为红色表示准备就绪并可以开始试验，随即转入等待外部中断状态。外部中断服务程序用于测定数据与计算以及显示结果，当CPU检测到外部中断按钮按下时，电磁铁释放钢柱，钢珠落下依次经过四个红外传感器并由CPU记录其通过这些传感器的时间间隔，指示灯此时为绿色表示正在测定结果中。最后指示灯转为橙色表示测试结束，假如测定过程正常即显示测定结果，异常则不显示提示需重新测量。