無機械磨損的密立根油滴儀

曹寧袆,李 猛，趙昕若，張 莉，王文娟

(南京工業大學 數理科學學院，江蘇 南京 211800)

無機械磨損的密立根油滴儀

曹寧袆,李 猛，趙昕若，張 莉，王文娟

(南京工業大學 數理科學學院，江蘇 南京 211800)

開發了數字控制系統用于密立根油滴儀，用光電編碼器替代電位器進行平衡電壓的調節，用觸摸屏上的按鍵替代機械按鍵. 改裝后的密立根油滴儀實現了完全無機械磨損的數字化控制，而且測量精度不受環境溫度、濕度等因素的影響.

密立根油滴儀；光電編碼器；觸摸屏

密立根油滴實驗是近代物理的重要實驗項目之一，是實驗物理的典范，也是啟發性實驗的代表作[1-4]. 現有普遍使用的密立根油滴實驗儀，2個金屬極板之間的控制電壓是通過電位器調節的，實驗中油滴運行狀態的控制通過機械開關或者機械按鍵實現. 電位器損壞以及機械按鈕失靈在實驗設備故障所占比重最大. 由于大量反復使用，電位器容易產生觸點磨損，導致調節電壓不穩定直至失調. 電位器還會因為使用環境潮濕、溫度變化等因素，導致輸出電壓不穩定或不精確. 而儀器的功能選擇、計時開關等則會由于頻繁操作導致接觸不良等致使儀器無法正常使用.

1 設計原理及方案

本儀器使用光電編碼器結合觸摸屏提供數字信號，通過電路芯片以及單片機的軟件處理后，達到儀器的電壓調節和控制油滴運動狀態以及計時狀態全數字化操作的目的. 采用光電編碼器替換電位器，在調節電壓過程中實現無機械磨損，延長了儀器使用壽命；使用觸摸屏替代機械按鈕，不僅提高了控制質量，而且減少了裝置損壞率；采用數模轉換電路、模數轉換電路，配合電壓調節電路可實現電壓調節，具有更高的控制精度.

設計方案如圖1所示，包括：MCS51單片機、光電編碼器電路、觸摸控制輸入電路、液晶顯示電路、數模轉換電路、模數轉換電路、電壓調節電路、視頻顯示、復位電路、自檢報警電路[5-8]. 實物圖如圖2所示. 該儀器設計方案最大特色在于其完全無機械磨損的數字化控制：用光電編碼器代替電位器進行平衡電壓的調節，用觸摸屏上的圖形按鍵來替代機械按鍵.

圖1 整體結構示意圖

圖2 無機械磨損的密立根油滴實驗儀

2 觸摸控制輸入電路及光電編碼電路

觸摸控制輸入電路和光電編碼電路的輸出端均與單片機的信號輸入端連接,如圖3所示，單片機型號為AT89C51，單片機的信號輸出端分別與液晶顯示電路的輸入端以及數模轉換電路的輸入端連接，數模轉換電路的輸出端與電壓調節電路的輸入端連接，電壓調節電路通過模數轉換電路與單片機連接，電壓調節電路用于調節實驗儀的2個金屬極板之間的電壓[5-6,9-10].

圖3 單片機的電路連接示意圖

光電編碼電路用以將編碼器旋轉產生的數字脈沖信號提供給單片機，包括光電編碼器U4、上拉電阻R6和R7. 如圖4所示，光電編碼器U4的A路輸出端與單片機P32端口連接， U4的B路輸出端與單片機P33端口連接，上拉電阻R6設置在單片機P32端口處，上拉電阻R7設置在單片機P33端口處[9].

圖4 光電編碼電路示意圖

當實驗者需要調節油滴平衡電壓時，旋轉光電編碼器，光電編碼器會發出2路相位不同的數字脈沖信號，單片機將接收到的數字脈沖信號加以判斷、處理. 根據2路信號相位的狀況判別其正轉還是反轉：若正轉，即提升平衡電壓；若反轉，即降低平衡電壓. 單片機還根據編碼器旋轉的速度，自動作出粗、細調節平衡電壓的選擇. 觸摸控制輸入電路用于向單片機提供觸摸圖形按鍵后產生的數字信號，包括M100觸摸屏，觸摸屏的LCD-TOUCH端通過串口與單片機連接[5-6,10].

3 觸摸屏及操作界面

圖5為觸摸屏，其操作界面如圖6所示，根據實驗進程，實驗者需要控制被測油滴在極板間的平衡、上升、下降的狀態轉換以及控制計時器的啟停. 控制系統采用觸摸屏上的圖形按鈕發出信號，經過單片機處理后改變2個金屬極板之間的電壓，實現功能的轉換，且控制計時器的啟停. 單片機配合數模轉換和模數轉換電路實現對2個金屬極板之間電壓的控制和數據采集，金屬極板之間的電壓和計時器的數據顯示在視頻顯示器上.

圖5 觸摸屏

液晶屏的初始界面顯示2個板塊[圖6(a)]，其一為“實驗”選項，其二為其他“功能”選項,此選項是為儀器的升級或輸出數據而設置. 點擊“實驗”選項，進入界面[圖6(b)]，界面中可見“極性”、“聯動”、“計時”、“上升”、“平衡”、“下降”選項. 上升：在兩極板間加電壓，使帶電油滴上升. 平衡：在兩極板間加電壓，驅走大部分油滴，留下少部分適于實驗的油滴，這些油滴在此電壓下接近平衡. 下降：觸摸該按鈕1次，此按鈕切換為按下狀態，兩極板間電壓變為0 V. 計時：觸摸該按鈕1次，此按鈕切換為按下狀態，計時器啟動，再按1次，計時器停止. 聯動：此按鈕為按下狀態時，觸摸“下降”按鈕的同時開始計時，觸摸“平衡”按鈕的同時停止計時. 再次按下“下降”按鈕時，時間將自動清零，同時開始下一輪計時.

(a)

(b)圖6 儀器操作界面

4 應用效果

我校物理實驗中心每年承擔學校近400個班級的大學物理實驗教學，每人1臺儀器，也就是說每臺儀器每年要提供近400次實驗，使用頻率相當高. 從2014年開始，該儀器已被投入到我校物理實驗教學當中，3年教學下來，每臺儀器已經歷了將近1 200次的實踐考驗，與傳統儀器相比，故

障率明顯下降，其中電壓調節旋鈕、電壓切換開關和計時開關故障率從原來的將近70%下降到低于10%. 大大提高了設備的完好率，能夠使教師集中精力于學生實驗過程的輔導，而學生也可以將主要精力投入到實驗當中，進而達到提高教學效率的目的.

[1] 蔡永明,王新生. 大學物理實驗[M]. 2版. 北京：化學工業出版社，2009：159-163.

[2] 顧大偉,張共寧,袁丕方. 大學物理實驗指導與報告[M]. 2版. 北京：科學出版社，2008：75-77.

[3] 何雨華，方愷，倪晨，等. 數字化密立根油滴實驗儀[J]. 物理實驗，2014,34(11)：30-33.

[4] 任文藝，姜建剛，伍丹，等. 密立根油滴實驗中水平調節的重要性[J]. 物理實驗，2016,36(2)：10-13.

[5] 肖看，李群芳. 單片機原理、接口及應用[M]. 北京：清華大學出版社，2010：21-53，98-132，245-285.

[6] 汪建. 單片機原理及應用技術[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2012：255-3111.

[7] 王長濤,韓忠華,夏興華. 單片機原理及應用——C語言程序設計與實現[M]. 2版. 北京：人民郵電出版社，2014：138-153.

[8] 深圳宏晶科技有限公司. STC15單片機中文數據手冊[Z]. 2014:523-556，612-626.

[9] 姜義. 光電編碼器的原理與應用[J]. 傳感器世界，2010，37(2)：16-19.

[10] 北京迪文科技有限公司. 迪文DGUS屏開發指南V40[Z]. 2014:3-52.

[責任編輯：任德香]

Millikan oil drops instrument without mechanical abrasion

CAO Ning-yi, LI Meng, ZHAO Xin-ruo, ZHANG Li, WANG Wen-juan

(School of Physical and Mathematical Sciences, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

An electrical system for Millikan oil drops instrument was developed, in which an photoelectric encoder was used for voltage regulation to control the balance voltage, and the touch panel combined with single chip control was used to replace the mechanical key. Thus, the modified Millikan oil drops instrument realized digitalization and abrasion free, and the environmental factors, such as temperature or humidity, had little effects on the measurement results.

Millikan oil drops instrument; photoelectric encoder; touch screen

2016-11-01；修改日期：2016-12-14

曹寧祎(1995-)，女，江蘇阜寧人，南京工業大學數理科學學院2013級本科生.

指導教師：王文娟(1987-)，女，山西嵐縣人，南京工業大學數理科學學院實驗師，碩士，從事物理實驗教學工作.

TP211.1；O4-33

A

1005-4642(2017)07-0043-03