基于單片機控制的聲速測量儀改進

尹學愛 李榮 馬國利

摘要：針對現有的聲速測量儀操作煩瑣、試驗誤差大、觀察不方便等缺點，設計了一款多功能的聲速測定儀。通過單片機處理把電子數顯尺數據輸出到LCD液晶顯示屏，并且可以在顯示屏兩側顯示每次幅值最大點對應得到的電子數顯數據。實驗還改進了原來聲速測量的手搖部分，用電機驅動，以一個穩定的速度運行便于數據測量讀取。

關鍵詞：電機控速;自動測量;一體顯示

中圖分類號：TM935.37 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0257-02

一、引言

聲速測量采用的共振法是通過示波器觀察波谷和波峰，原理比較簡單，但讀數位置不易確定。基于這個原因，對原有實驗儀器進行改進，改進后的聲速測定儀在保證原有功能的前提下，在轉動旋鈕上加上了可控制的電機，通過控制電機來控制電機的轉速，使它不再是傳統的手搖式測定儀器，成為了一款新的智能的由電機控制測定儀器，最終實現位移的變化。另外把數顯卡尺去掉，外接在12864液晶屏幕上，直接輸出數據，其實驗結果更加接近理論值。

二、系統設計

本設計通過單片機處理把電子數顯尺數據輸出到LCD液晶顯示屏，并且在顯示屏顯示連續變化的測量距離值和記錄每次幅值最大點對應得到的電子數顯數據[1]。實驗還將原來聲速測量的手搖部分，改用電機驅動，運行速度穩定便于數據測量讀取。實驗者可通過總開關控制實驗進程，實驗過程只需觀察示波器的峰值，當達到波峰或者波谷時，按下記錄按鍵，記錄此時的位移。通過電機自動控制，可方便觀察示波器多次的峰值，并通過12864顯示屏保存每次峰值對應的位移。實驗完畢后調出位移數據，計算出聲速。設計框圖如圖1所示。

三、核心硬件設計

1.信號輸入電路。容柵藍牙接口采用硬件電路檢測容柵數顯尺的時鐘和數據信號[2，3]，通過軟件控制，從容柵式數顯尺的數據輸出端輸出[4]，經過電壓比較器LM339輸入到單片機，由單片機的端口檢測串行數據達到數據要求開始讀取，讀到要的數據后開始進行提取數據組合處理。容柵數顯尺工作電路圖，如圖2所示。

2.數據儲存電路。數字存儲芯片選擇了Atmel公司推出的AT24C512，其作用是存儲不同時刻的信號大小，克服了模擬示波器只能顯示當前波形的缺點。由于該芯片采用I2C總線傳輸數據，所以需要單片機的I/O口用來模擬該總線。由此完成示波器模擬信號處理以及峰值的輸出。數據存儲流程圖，如圖3所示。

四、系統軟件設計

1.容柵式數顯尺數據處理[5]。根據數顯卡尺的信號分析得到時序圖，如圖4所示。

根據上面的時序圖可知，CLK為同步時鐘信號，在一次數據傳送中，開始為54μs的高電平，表示數據即將開始傳送。接下來是Date輸出兩組各有24個寬度為13μs的窄脈沖，前組為絕對數據;后組為相對數據;前后兩組數據之間有110μs的高電平作為間隔;最后是75μs的高電平，表示數據傳送結束，其輸出波形，如圖4所示[5]。

對于數據處理，我們根據參考文獻[5]選取用雙電壓LM393比較器進行信號轉換移位寄存器74HC595和單片機進行串/并轉換部分及數據采集。由此完成容柵數顯尺的數據處理得到的數據精度達到0.001mm。

2.12864液晶顯示峰值和數顯尺數據。在LCD上共顯示四行，根據時鐘時間把兩部分數據在其液晶上面顯示出，再根據顯示出的數據，由人控制處理得到其最大值記錄，記錄在液晶下方顯示出其對應的數顯尺距離數據，上側顯示數據隨控制變化。下側數據最多記錄三組。

3.電機控制轉速。由于實驗要實現自動化測量讀取輸出，因此電機控速部分不能選用高速驅動的電機，選擇JGA25-370-12V-153rpm電機作為控速電機，符合本實驗的要求。通過電機驅動利用單片機程序控制其轉速。

五、測量結果及分析

儀器改進后的聲速測量結果48.521、72.9432。

FN=35.685KHz t=20℃

數據處理如下：

ΔL=

= =4.894mm

波長：λ=2ΔL=9.788mm

聲速：Vt=λf=9.788×10-3×35.585×103m/s

=348.31m/s

百分誤差：At= ×100%= ×100%=1.1%

改進后的聲速測量儀由于利用顯示屏同步計數功能測出的聲速誤差較小，聲速測量的誤差來源主要有電機震動影響波形的輸出等因素產生的。

六、結語

作品的自動化程度較高，而且使用51單片機與LCD顯示，是一種較為新穎的數據處理及顯示的方式方法，而且數據的精度比原容柵數顯尺精度要高。

參考文獻：

[1]王安敏，王辛立，崔偉.基于AT89C52單片機的容柵傳感器測距系統[J].儀表技術與傳感器，2008，（9）：86-90.

[2]徐科軍.容柵傳感器的研究與應用[M].北京：清華大學出版社，1995：6-10.

[3]王煜東.傳感器應用技術[M].西安：電子科技大學出版社，2006：100-102.

[4]馬修水.容柵式電子數顯卡尺接口[J].工具技術，實驗室研究與探索，2013，（6）.

[5]梁應選，楊明亮.基于容柵傳感器和單片機的檢測系統[J].實驗室研究與探索，2013，（06）：25-29.