基于电势差计的长度智能显示器研制

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(1．成都理工大学 工程技术学院，乐山 614007；2.核工业西南物理研究院，成都 610225)

0 引言

线式电势差计简称电势差计，是一种应用十分广泛的电磁学基本测量仪器，可用来测量电压、电动势、电流、电阻等电学量，也可用来测量多种非电学量，例如温度、位移等。电势差计是将被测量电压与标准电压进行比较而实现电压测量的，因此电势差计具有准确度级别高，测量结果稳定可靠等优点。其次，电势差计实验是理工类学生在大学期间第一次接触物理实验，学生在实验过程中，需要目测进行读数，加上初次实验和经验的不足，在读数的过程中会出现随机误差和“过失误差”，导致整个数据的误差增大，从而影响实验数据结果，为减小误差，提高实验数据的可靠性，研制了长度显示器，代替目测读取数据的方式。

1 电势差计装置原理

各种版本的教材都假设干电池的电动势EX和内阻r在实验过程中是恒定的，提出了用线式电势差计测量电源电动势和内阻的实验方法[1-3]；本长度显示器的研制以实验电路图1为基础展开，其电动势和内阻的计算如式(1)、(2)。

(1)

(2)

如图1所示。

图1中：EX为待测电源的电动势；R为待测电源的内阻；LAD、LAD′、LAD″为三次补偿的长度，单位为厘米；ES为标准电池的电动势；R′为20 Ω，它为电阻箱ZX21，精度为0.01 Ω；要想得到待测电源的电动势EX和内阻R必须得到LAD、LAD′、LAD″的长度值，而长度值的测量精度直接影响着EX电动势和R内阻的实验结果，AB为米尺。

2 显示器组成及工作过程

长度显示器电路按照功能可以分为模数转换模块、单片机控制模块和LED数码管显示及驱动模块3部分组成，显示器电路总体结构如图2所示。

图1 装置电路原理图

图2 显示器原理框图

模数转换模块包括线式电势差计补偿时“电位”信号的提取电路和A/D转换电路，通过A/D转换器后所得到的8位二进制数据；单片机控制模块是系统的核心部分，其作用是为A/D转换器提供转换时钟和控制信号，同时接收和输出8位二进制数据，通过C语言算法将电位信号转换为长度数据；LED数码管显示模块包括4位LED数码管位码驱动电路和段码显示电路，数码管位码驱动电路的作用是增大LED数码管的驱动电流[4,5]。

实验装置工作时，单片机控制系统自动上电复位(+5 V)，系统初始化，单片机(P3.0端口)为A/D转换器发出启动信号，并通过P3.3端口为A/D转换器提供时钟信号，A/D转换器的ADD A、ADD B、ADD C设定为000，模拟信号IN0端输入，A/D转换器的EOC端为1时转换结束，A/D转换器的OE端为1时输出8位二进制数据；单片机的P0端口接收8位二进制数据，经单片机内部程序运算得到长度段码数据，并从P1端口输出到4位LED数码管；单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位码信号，经三极管电流放大驱动4位LED数码管显示长度数据，其显示精度为0.02 cm。

3 显示器硬件设计方案

3.1 信号采集与模数转换电路

线式电势差计是以“电位”的补偿为基础的，线式电势差计的直流工作电源为+5 V，线式电势差计采样值取至线式电势差计的补偿点，其值小于+5 V，采集的是补偿电压信号；ADC0808芯片是典型的8通道模拟输入8位并行数字输出的逐次逼近式A/D转换器，该转换器采用CMOS工艺，其转换精度为0.02 V，8位二进制数据采用实时跟踪转换输出；长度智能显示器的直流电源与线式电势差计为同一直流电源，均为+5 V，由直流稳压电源提供，电路如图3所示。

图3 信号采集与模数转换电路

3.2 单片机控制电路

STC89C52具有8 K在系统可编程Flash存储器，用户的程序可以直接写入单片机内部的程序存储器；首先，由STC89C52单片机(P3.3)的中断定时器T1产生10 kHz的时钟信号，作为数模转换器ADC0808的时钟信号CLK和地址锁存允许信号ALE，P3.0端口作为转换启动信号(ST=0)、P3.1端口作为输出允许信号(OE=1)、P3.2端口作为转换结束状态信号(EOC=1)，均有单片机产生和控制；其次，P0端口作为A/D转换器8位二进制数据输入，P1端口作为4位LED数码管段码数据输出，为提高带负载能力，接入上拉电阻8个1 kΩ。 如图4所示[6-8]。

3.3 长度显示与位码驱动电路

单片机STC89C52的P1端口作为8位二进制长度数据的输出端，经上拉电阻和数据总线进入4位LED数码管的段码引脚(共阴极)，显示方式采用动态显示，4位LED数码管为实时跟踪显示，其中整数位2位，小数位2位，显示精度为0.02 cm。如图5所示。

为了提高4位LED数码管显示器的亮度和工作电流，利用三极管S8050的电流放大作用，在LED数码管的共阴极端增加三极管放大电路，以三极管集电极工作方式，增大LED数码管的驱动电流；其次，为保证LED数码管位码动态显示的逻辑关系，增加CD4069反相器，以控制三极管S8050动作，电阻R21、R22、R23、R24为限流电阻。如图6所示[9,10]。

4 软件程序设计

本系统的软件程序设计采用C语言编程，由于C语言编写的应用程序具有结构清晰、模块化程度高、可读性强和容易移植等优点；主程序流程如图7所示。

首先，调用中断定时子程序，为A/D转换器提供脉冲时钟，其频率为10 kHz，中断定时子程序由确定中断定时器T1的工作方式为1方式，定时器定时初值为0.1 ms，开启中断，启动定时器T1；其次，为A/D转换器设置初始化工作条件，启动A/D转换(ST=0)，输出允许信号为高电阻(OE=0)，模拟信号输入通道为IN0；再次，A/D转换是否结束，若A/D转换结束8位二进制数据进入单片机P0端口，经C程序运算，得到长度数据，调用显示子程序，从P1端口输出长度数据，LED数码管显示，显示子程序由4位数组读取共阴段码表格，确定1-4位显示的位码电位，调用延时子程序。如图8所示。

图4 单片机控制电路

图5 长度数据显示电路

图6 数码管驱动电路

图7 主程序流程图

Keil软件调试仿真结果，零警告，零错误，C程序运行合理，程序编写成功。

5 实验数据测量

在完成系统的硬件、软件制作，利用自制的长度显示器与目测方式进行测量数据比较，分别测量补偿的长度数据，重复测量6次，数据见表1、表2如下。从测量数据可以看出，目测数据有变化，长度显示器数据无变化，重复性好。长度显示器见图9所示。

图8 keil仿真结果

参数σLAD(cm)σLAD′(cm)σLAD″(cm)不确定度0.020.020.02

表2 长度显示器数据

图9 长度显示器

6 数据不确定度分析

6.1 长度不确定度的计算

由不确定度计算为式(3)。

L的平均值为

(3)

L多次重复测量的平均标准偏差为式(4)。

(4)

L的仪器近似标准偏差为式(5)。

(5)

L的合成不确定度为式(6)、式(7)。

(6)

(7)

利用式(3)、(4)、(5)、(6)分别计算出目测、长度显示器的长度数据不确定度，具体长度数据不确定度见表3、表4所示。

表3 目测长度数据不确定度

表4 长度显示器长度数据不确定度

6.2 电动势和内阻的不确定度

如表5、表6所示。电动势的合成不确定度：

内阻的合成不确定度为式(8)。

(8)

利用式(1)、(2)、(7)、(8)分别计算出目测、长度显示器的电动势和内阻不确定度，具体电动势和内阻不确定度见表5、表6。

表5 目测数据的电动势和内阻合成不确定度

表6 长度显示器测量的电动势和内阻合成不确定度

从目测和长度显示器数据所计算的电动势、内阻及对应的合成不确定度可以看出：①目测数据的不确定度大于长度显示器数据的不确定度；②长度显示器的数据重复性好、数据稳定性好、合成不确定度更小，排除了人为因素，能满足实验准确度级别要求。

7 总结

本文介绍的一种基于电势差计的长度智能显示器研制，利用单片机技术和C语言程序，实现长度数据自动显示；通过数据的比较和不确定度分析，长度显示器数据不确定度更小，长度显示器的硬件和软件设计是合理的，操作简单，长度显示器能实时跟踪显示测量数据，其测量数据符合实验要求，满足了实验数据的准确度级别。此研制项目已申请国家专利！