智能化多功能物理量测量仪

闫文林 ，张永祥，张冠芬

（1.首都师范大学 信息工程学院，北京 100048；2.荷泽学院 物理系，山东 荷泽 274015）

1 引言

在实验室中，现有仪器不能任意测量单摆的简谐振动周期和惯性称测量不同质量物体的振动周期时计算方法过于复杂，且测量周期仪器的精确度较低，周期选择具有一定的局限性，引用范围太窄，只能测量10T，20T，30T，精度0.01s.通过研究发现，利用智能化多功能物理量测量仪可在1～999 个周期内任意测量，并且精度达到0.000 1s，同时，可满足多种功能测量，简化了实验室仪器设备.

2 模块设计方案及原理

2.1 整体设计方案

图1 系统设计框图

该测量仪的整体设计思路如图1 所示：以AT89S52单片机为核心，利用其内部的定时／计数器完成对待测信号的周期和频率的测量及简谐振动周期的测量，并通过1602 液晶显示测量数据.使用红外传感器采集数据，测量简谐振动周期时，周期个数可以在1～999任意设置.利用单片机可测量频率.因此可任意测量单摆的简谐振动周期和惯性称测量不同质量物体的振动周期。根据电感与频率、电容之间的关系L=1／（4π2f2C），通过单片机测量其信号频率来测量电感；根据电阻与周期、电容的关系R=t／（1.4C），通过单片机测量振荡周期来测量待测电阻.

2.2 关键模块设计方案以及原理

1）分频模块

采用双4位二进制计数器74HC393构成二级分频电路，可得到原信号频率的1／16，1／256的分频信号，如图2所示.

图2 分频电路图

2）整形模块

整形电路见图3.采用高频器件，输入信号经三极管放大以后输入到电压比较器中，当输入信号频率较高时经电压比较器输出的方波信号失真，所以再将比较器输出的信号输入到反相器74HC04中进一步整形得到较好方波信号.如果输入的信号为TTL 信号可以不经整形电路直接输入到下一级分频电路，最终将信号输入单片机.

图3 整形电路图

3）电阻测量模块

测量电阻［1］，主要是将产生的周期脉冲信号连接给单片机，运用公式R=t／（1.4C），采用单片机内部的16位定时器／计数器来测量多谐振荡电路的振荡周期来求电阻.

4）电感测量模块

采用CD4069 和74HC04 反相器，构成一个CMOS缓冲振荡器，将产生的脉冲信号连接给单片机，运用公式L=1／（4π2f2C）通过测量脉冲信号频率来求电感.

3 系统软件设计

AT89S52有2个16位的定时器／计数器T0和T1［2］.初始化程序将T0设置为计数器，T1设置为定时器.T0是工作在计数状态下，对测量的输入信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC／24，由于fOSC=12 MHz，因此，T0的最大计数频率为500kHz.T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1s的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1s的定时功能.测量仪开始工作完成一次频率或周期的测量，程序都进行测量初始化.初始化模块是用来设置1602液晶显示、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式的.

系统软件设计采用模块化设计方法.上电后，进入初始化模块，系统软件开始运行.在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应的物理量测量.程序流程图如图4所示.

图4 程序流程图

其中，k0为功能选择键，通过k0选择工作状态，即m=0时，测量简谐振荡周期；m=1时，测量输入信号周期；m=2 时，测量输入信号频率；m=3时，测量电阻；m=4时，测量电感.在测量简谐振荡周期时需要选择周期个数，初始化默认值为10，可以通过k1键和k2键进行简谐振荡周期个数c的增加和减小.

4 实测结果和误差分析

4.1 实测结果

为衡量该测量仪的工作情况和测量精度，以TFG2015GDDS函数信号发生器产生信号f 和T 为标准，对信号源进行测量，测量数据如表1～2所示.

分析：主要采用传统的计数法［2-3］来实现周期信号测量和频率测量，误差主要来源主于计数误差和闸门误差.可通过选用稳定的单片机晶振来减少该闸门时间相对误差.采用该测量仪可测量输入信号的周期和频率，且周期精度为0.000 1s，频率精度为0.01Hz.

表1 信号频率测量

表2 信号周期测量

4.2 测量简谐振动周期

在测单摆的简谐振动周期和惯性称测不同质量物体的振动周期时，取重力加速度g=9.8N／kg作为标准，再根据公式T=2π，求出任意摆长下的标准周期T.测量数据如表3和表4所示.

表3 测单摆的简谐振动周期

表4 惯性秤测不同质量物体的振动周期

采用计数法测量单摆的简谐振动的周期误差主要来自外部实验器材受外界环境的影响.还有部分误差是由于单片机晶振的频率不稳定引进的计时误差.测简谐振动的周期时，采用了单片机内部的定时器及计数功能，取代传统的人工计数和用数字毫秒计手动计时的方法，从而降低了实验误差.1～999个周期可以随意设定，测得简谐振动的周期精确度可以为0.000 1s.

4.3 测量电阻和电感

在测量电阻和电感大小时，通过测量频率来间接测量电阻和电感.测量数据如表5～6所示.

表5 电阻测量

表6 电感测量

由于建立RC 稳定振荡的时间较长，在测量电容和电阻时，应在显示稳定后再读取参量值.RC 振荡的稳定性可达0.001，单片机测频率最多误差1个脉冲，因此由单片机测频率引起的误差在0.01以下.利用555定时器和待测电阻构成多谐振荡电路，再利用单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，通过测量周期间接测得待测电阻或无极性电容，并验证RC 振荡电路实验.电阻灵敏度为0.01Ω.利用CMOS反相器构成皮尔兹CMOS缓冲振荡器，通过测量频率间接测量电感并验证LC 振荡实验，精度为0.01μH.

5 结束语

该仪器使用液晶屏显示操作提示语句，降低了操作难度，智能性强，误差较小并且性能稳定，数据显示一目了然.在测量简谐振动（如：惯性秤测不同质量物体、单摆上的简谐振动等）的周期时，精度高、数据准确、便于操作等；在测量信号频率和信号周期过程中，数据稳定且精度较高；在验证RC 振荡实验和LC 振荡实验过程中，操作简单，便于学生理解，可以广泛应用于学生实验和信号测量中.

［1］王秀霞.电阻电容电感测试仪的设计与制作［J］.电子技术，2012（8）：81-83.

［2］赫建国，刘立新，党剑华.基于单片机的频率计设计［J］.西安邮电学院学报，2003，8（3）：31-34，72.

［3］刘晓红.频率测量方法概述［J］.科技创新与应用，2012（20）：7.

［4］杜灿鸿.自制简易可靠的电感测量仪［J］.无线电，2008（12）：82-83.

［5］张永瑞，刘振起，杨林耀，等.电子测量技术基础［M］.1版.西安：西安电子科技大学出版社，2009：82-88.