用單片機自制重力加速度測試儀

吳愛華

(黃石二中 湖北 黃石 435000)

1 測試原理

測量重力加速度，最關鍵的是計時精度，目前常用實驗儀器的計時精度都在毫秒級，還存在操作上的時間誤差，比如電磁鐵，反應時間在3～10 ms．而高速光電開關的反應時間僅僅是幾個微秒[1]，結合單片機精確計時和自動控制能力，可以大幅提高測量精度，而且操作非常簡單．測試原理如圖1．

圖1 光電開關測量重力加速度示意圖

該儀器有3個特點．其一，采用長600 mm的有機玻璃板作重物，替代通常測試中的鋼珠．由測試質點運動到達時間,變為測試有一定長度物體的通過時間,使自動測量成為可能．有機玻璃板上面設置了多段遮光部分，故取名遮光板；其二，采用光電開關作為傳感器；其三，采用單片機作為計時單元和自動控制單元．遮光板的構造如圖2．

圖2 遮光板結構圖

有機玻璃板長600mm，寬60mm，厚10mm．遮光板兩頭各留50mm透光部分，中間用黑色材料按圖2粘貼好．黑色部分起遮擋光線作用．當遮光板做自由落體運動、通過光電開關時，會輸出一列脈沖，如圖3．

圖3 光電管輸出脈沖

圖3中有5個時間段．T1,T3,T5為低電平，對應遮光板黑色部分．T2,T4為高電平，對應遮光板透光部分．脈沖的寬度與通過的時間對應，通過的時間越短脈沖寬度就越窄．把這列脈沖輸入到單片機里，由單片機對這5個時間段進行計時．這樣，就能計算出遮光板各個部分的平均速度，然后，再計算出重力加速度．當然，這些計算工作也可以由單片機來完成．

2 電路原理

儀器電路原理圖如圖4(b)．圖中，分為通訊、光電傳感器、單片機、電源、指示5個部分．顯示部分可以采用成品顯示器，也可以直接和電腦連接．在此不做介紹．

圖4

(1)傳感器部分

傳感器部分是一個非常關鍵的部分．紅外發射管和紅外接收管采用配對管．兩管距離太近，遮光板下落時容易發生碰撞，距離太遠傳感器靈敏度會降低．該儀器兩管間距為64 mm．兩管用專用的∏型結構密封盒封裝．以保證發射窗口和接收窗口處于同一直線上，并且確保自然光對光電傳感器不產生干擾．

(2)單片機部分

如圖4(a)光電傳感器輸出信號經過兩個反向門，產生兩個相位相反的時間信號，分別連接到單片機的INT0,INT1兩個輸入端．分別用單片機的兩個定時器輪流進行計時，以保證在中斷處理時，不會影響到計時精度．其中一個對T1，T3，T5計時，另一個對T2，T4計時．單片機晶振選用12 MHz，計時頻率采用不分頻模式，計時基準為1 μs[2]．單片機有一個按鍵輸入，兩個指示燈輸出．當按鍵按下時，單片機處于計時準備狀態，同時輸出一個信號，點亮準備指示燈．另一個計時指示燈是自動控制的．當T1的下降沿到來時開始計時，計時指示燈亮．當T5的上升沿到來時，計時結束，計時指示燈滅，同時準備指示燈滅，儀器恢復到初始狀態．

該儀器采用文獻[2]提供的STC12C4052AD單片機，如圖4(a)．

(3)顯示部分

顯示部分可以自制，也可以采用成品顯示屏，這里介紹一種最簡單的方式．用R232通訊電纜，將單片機R232串口與手提電腦R232串口直接相連，在手提電腦上運行一個串口調試程序，測試結果就可以顯示到手提電腦上．

(4)通訊部分

通訊部分的作用是將單片機的串口變換成標準的R232串行通訊接口，方便連接．

(5)指示燈

共有4個指示燈，分別為電源指示、遮光指示、準備指示、計時指示．其中遮光指示是讓學生可以直觀地觀察光電開關紅外線被遮擋的狀態，同時也便于儀器的調試．

(6)電源部分

電源采用一個5 V，500 mA直流穩壓電源．

(7)軟件部分

軟件部分為一個主程序、兩個中斷服務程序、一個通訊程序．在此不做介紹．

參考文獻

1 李朝青．單片機原理及接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，2001．171

2 深圳宏晶科技有限公司．STC12C2052AD系列單片機器件手冊．2006． 53