智能數字毫伏表在大學物理實驗中的應用

陳 磊 張 凱 朱路揚 陶玉榮

摘要 智能數字毫伏表以單片機AT89S52為控制器,可對光學實驗中的光強大小進行測量,并可對實驗數據進行分析、處理,幫助驗證相關實驗原理。以光學單縫衍射實驗為例,討論數據的處理過程,并與理論值進行比較。本儀器操作簡單,精度高,已應用在單縫衍射、偏振光、雙縫干涉、楊氏模量測試等實驗中。

關鍵詞 單片機AT89S52;AD7705;毫伏表;物理實驗

中圖分類號:O4-33 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)30-0108-03

Appliance of Intelligent-Digital Millivoltmeter in University Physics Experimental//Chen Lei, Zhang Kai, Zhu Luyang, Tao Yurong

Abstract Intelligent-digital millivoltmeter takes SCM AT89S52 as kernel. It can measure the intensity of light, as well as analyze and manipulate experiment data. The results can help experimenter to verify the experimental theory. Taking the case of single-slit diffraction experiment, the paper discussed the data processing and compared the data to theoretical value. The high precision apparatus is easy to manipulate, and has been applied in the single-slit diffraction experiment, polarized light experiment, double-slit interference experiment, Youngs modulus of elasticity testing experiment, etc.

Key words microcontroller AT89S52;AD7805;millivoltmeter; physical experiment

Authors address College of Physics Science Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu, 225002, China

隨著電子技術的發展,各種新技術不斷應用在大學物理實驗中,為實驗的設計提供了智能化、數字化的實現方案。本設計利用單片機AT89S52的控制功能和16位數模轉換器AD7705的良好性能,實現對光強數據的采集、處理數字化,并可通過設計不同控制軟件,實現對不同實驗的實驗數據進行處理分析,幫助驗證有關實驗理論。本設計已應用在單縫衍射、偏振光、楊氏模量測試等實驗中。這對于大學物理實驗儀器是一種改進,具有一定的實際意義和應用價值。

1 系統硬件結構設計

系統原理如圖1所示,傳感器將測得的光強轉換為電壓,送給16位AD轉換器AD7705;單片機提供AD控制信號和同步時鐘等,控制AD器件進行A/D轉換;得到的測量數據在液晶上顯示,同時存儲在E2PROM中;測量結束后可通過鍵盤進行功能選擇,處理顯示數據。

本系統的控制部件采用ATMEL公司生產的AT89S52,它有8 k字節的Flash ROM和256字節RAM,有3個定時器,2個外部中斷,資源可以滿足本設計的要求。并且支持串口通信和ISP在線編程,使程序的調試和編程更加方便。

傳感器可根據不同的實驗來選擇,如果是光學實驗,可選用線性度較好的光敏電池;如果是楊氏模量實驗,可選用應變片等。

設計中所用AD轉換器為Analog Devices公司生產的AD7705。AD7705利用∑-△轉換技術實現16位無丟代碼性能,并可通過編程改變信號增益,對于標準2.5 V參考電壓,可實現量程范圍從20 mV～2.5 V的選擇,轉換后產生串行數字輸出。這個測量范圍可滿足一般傳感器的輸出范圍需要。

設計中所用存儲元件是ATMEL公司生產的AT24C08,這種存儲元件接口簡單,支持2線制串行I2C協議,數據可保存100年,并支持百萬次的擦寫;容量為1 k字節,可存儲16位的數據512個。如果測量數據較多,不改變其他電路,直接換用AT24C16等更大容量的E2PROM即可。

信息顯示是使用點陣字符液晶顯示器,該顯示器可同時顯示2行16列共32個字符,在實驗室環境中顯示效果良好,完全滿足系統信息的顯示需要。另外使用2個LED指示狀態,紅色LED用來指示電源正常;綠色LED正常熄滅,系統在處理數據時閃亮,并配合蜂鳴器提醒使用者。

本設計預留ISP在線編程接口和與計算機通訊用串口,便于對系統進行軟件升級和測試使用。

各硬件模塊的具體電路圖2所示。

2 系統軟件設計

通過AT89S52的ISP編程接口,可隨時對程序存儲器中的控制程序進行修改,方便調試。正常使用后可用于控制程序的升級,方便地將本設計應用在多個物理實驗中。下面以單縫衍射實驗為例,說明軟件的控制過程。

硬件系統應用在單縫衍射實驗中時,光強傳感器可選用光敏電池,直接將照射光強轉換為mV級的電壓值。

根據在實驗室環境中測試,He-Ni激光器完全照射在光電池上轉換電壓不超過500 mV,所以AD7705的增益選擇為4,在標準參考電壓2.5 V的情況下,測量范圍為0～625 mV,確保輸入不會超出量程。

本系統的數據采集、數據的處理都是由單片機控制實現,設計過程采用模塊化程序設計思想,用C語言編寫[1],由主監控模塊、AD數據采樣控制模塊、LCD顯示模塊、E2PROM讀寫模塊、按鍵掃描模塊等組成。控制程序流程圖見圖3。

系統復位后,分別對蜂鳴器、LCD、E2PROM、AD、LED顯示器進行自檢。自檢通過后,自動測量環境光強,作為本底值存儲下來。按任意鍵進入測量狀態后,查詢按鍵輸入。之后的各種操作,程序正常停留狀態就是“測量”“查看原始數據”“查看歸一化數據”3種。程序設計中因為注意模糊性控制,在系統正常運行情況下,按任意功能鍵都會最后歸結到上述3種狀態中的一種,不會出現因按鍵錯誤死機、丟失數據等情況發生,保證程序運行的穩定性。

在進入測量狀態后,按一次測量鍵,對當前位置采樣6次,然后系統對6個數據用競賽評分法進行處理:去除一個最大值和一個最小值,剩下的4個值取平均。這樣可起到低通濾波的效果,以減小實驗過程中環境光強變化和系統內部的噪聲引起的隨機誤差。處理結果去除本底值后在E2PROM中存儲,并在字符液晶上顯示。

測量結束后,按歸一化處理按鍵,即對所有數據查找最大值,并以此值為標度進行歸一化處理,在LCD上顯示相應百分比。如果刪除數據或再增加測量數據,程序可自動判斷,再查看歸一化數據時是否要重新歸一化處理。

存儲在E2PROM中的數據掉電后仍然保留,可防止實驗中意外掉電造成數據丟失。在下次重啟系統自檢后,按“查看原始數據”鍵即可顯示上次實驗的數據。

3 實驗數據分析

以在單縫衍射實驗中的應用為例。按實驗要求[2]調整好實驗裝置后,多次改變單縫寬度,利用智能數字毫伏表測量得15組數據(表1),對表中數據作圖進行分析(圖4)。

根據夫瑯和費單縫衍射理論,第一次極大與主極大的理論比值為0.047,第二次極大與主極大的比值為0.017[3]。從表2中可以看出,第一次極大與主極大的比值相對于理論值的平均誤差為8.09%,第二次極大與主極大的比值相對于理論值的平均誤差為11.25%。

4 誤差原因分析及改進措施

經過分析,系統測量中可能產生誤差的原因有以下幾點。

1)從測量的數據中看,左側第一次極大和第二次極大值都比理論值小,而右側的第一次極大和第二次極大值都比理論值大,說明測量中單縫并未直接對準光源,造成左右光強不等。這一誤差即使是反復調節也無法消除。

2)測量點光強太強會造成光電池的S-W效應(光致衰退效應),而使得AD的采樣值不穩定。經多次測量后發現,在實驗室條件下,調節單縫寬度,使得主極大條紋在2 cm左右時,S-W效應不太明顯,但不能完全消除。

3)測量雖然已測得環境光的本底光強,并在后期處理顯示中已減去本底光強值,但測量過程中環境光的改變,如實驗人員的走動、室外光照角度的變化等都會造成測量中的誤差。

5 總結

智能數字毫伏表有精度高、易操作、可擴展性好的特點。通過測試表明,硬件研制完成后,針對不同實驗可方便地進行二次開發:根據不同實驗編寫相關控制軟件,即可應用于多個大學物理實驗中,進行數據的測量、存儲和處理,以供實驗者分析、驗證相關實驗理論。目前已應用在單縫衍射、偏振光、雙縫干涉、楊氏模量測試等實驗中,具有一定的實際意義和應用前景。

參考文獻

[1]馬忠梅,等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:55-204

[2]謝敬輝,等.物理光學教程[M].北京:北京理工大學出版社,2005:170-173

[3]周殿清.大學物理實驗[M].武漢:武漢大學出版社,2002:278-281