采用單片機(jī)對(duì)固體比熱容測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)

李曉磊 王學(xué)賀

(菏澤醫(yī)學(xué)專科學(xué)校計(jì)算機(jī)教研室 山東 菏澤 274000)

比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)升高 (或降低) 單位溫度所吸收 (或放出) 的熱量.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常采用混合法測(cè)量固體比熱容，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的數(shù)據(jù)比較多，需要多名學(xué)生互相配合才能完成實(shí)驗(yàn)，例如在測(cè)量溫度變化時(shí)，學(xué)生甲負(fù)責(zé)停表計(jì)時(shí)，學(xué)生乙負(fù)責(zé)讀取溫度計(jì)溫度值，學(xué)生丙負(fù)責(zé)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于被測(cè)物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)溫度變化較大，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)人為的時(shí)間測(cè)量、溫度讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)、配合不當(dāng)?shù)确矫娴牟铄e(cuò)，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1,2].

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

針對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)中存在的缺陷，筆者利用單片機(jī)及傳感器技術(shù)對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，使用溫度傳感器替代水銀溫度計(jì)采集溫度數(shù)據(jù)，使用壓力傳感器及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量物體的質(zhì)量，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器功能替代停表進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)可以通過(guò)液晶屏幕讀取實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出固體的比熱容，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，改進(jìn)后的儀器可以有效地減少人為誤差.

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由微控制器模塊、質(zhì)量測(cè)量模塊、溫度測(cè)試模塊及液晶顯示和聲光提示模塊，為了實(shí)現(xiàn)功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選定方案如下：

1.1 微控制器模塊

STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，其內(nèi)部集成了微處理器、存儲(chǔ)器及各種輸入、輸出接口.在本方案中，單片機(jī)內(nèi)部的T0計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中各個(gè)時(shí)間的測(cè)量，同時(shí)讀取和處理重力傳感器、溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示.圖1為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，主要由電源、晶振電路以及復(fù)位電路3部分組成，另外，由于P0口無(wú)內(nèi)置上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常輸出高、低電平，因此本系統(tǒng)中P0口接入了10 K的上拉電阻，用作LCD液晶顯示時(shí)數(shù)據(jù)輸出端口[3].

1.2 質(zhì)量測(cè)量模塊

質(zhì)量測(cè)量模塊由壓力傳感器和高精度AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成.電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性電阻片組成，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電阻值將增大或減小，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)電壓信號(hào).由于電壓值比較小，需要進(jìn)行電壓放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，本文采用24位高精度HX711 AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器芯片、放大電路、穩(wěn)定電源等電路，使用方便，響應(yīng)速度快[4].在進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)時(shí)，串口通訊線由管腳 SCK和DT組成，用來(lái)輸出數(shù)據(jù).編程時(shí)，根據(jù)使用時(shí)序圖進(jìn)行選擇輸入通道和增益，在本方案中管腳SCK和DT分別連接單片機(jī)的P1.0，P1.1 I/0接口，質(zhì)量測(cè)量模塊電路圖如2圖所示.

圖2 質(zhì)量測(cè)量模塊電路圖

1.3 溫度測(cè)量模塊

溫度測(cè)量模塊由2個(gè)單總線型數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成，其具有微型化、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn),可將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)供處理器處理.與微處理器進(jìn)行連接時(shí)，僅需要單線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信，既可以傳輸時(shí)鐘信號(hào)，又可以傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，測(cè)量結(jié)果輸出數(shù)字溫度信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)加入CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力[5].使用時(shí)，外圍電路如圖3所示，本方案中兩個(gè)DS18B20溫度傳感器的DQ管腳分別接單片機(jī)的P2.6，P2.7 I/0接口使用.

圖3 溫度傳感器外圍電路圖

1.4 液晶顯示與聲光提示模塊

液晶顯示與聲光提示模塊主要由LCD 12864液晶、LED燈和蜂鳴器3部分組成，此模塊電路圖如圖4所示.

圖4 液晶顯示與聲光提示模塊電路圖

LCD 12864液晶可以同時(shí)顯示數(shù)字型數(shù)據(jù)和文本型數(shù)據(jù)，具有較好的信息可讀性.在本設(shè)計(jì)中，LCD 12864液晶選用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，需將串并行選擇端PSB端口置為高電平，DB0～DB7數(shù)據(jù)口接單片機(jī)P0端口.液晶使能端E必須置為高電平，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的控制與讀寫操作.LED燈和蜂鳴器均為低電平觸發(fā)有效，主要用于每次數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后的提醒功能，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù).

2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，主程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，編程結(jié)構(gòu)清晰，便于程序調(diào)試與修改，主要分為測(cè)量質(zhì)量、測(cè)量溫度以及數(shù)據(jù)的顯示與讀取3部分，結(jié)合按鍵進(jìn)行功能選擇和程序執(zhí)行，主程序流程圖如圖5所示.

圖5 主程序流程圖

3 測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物與模型圖如圖6所示，1是量熱器，2是攪拌器電機(jī)與開關(guān)，3是溫度傳感器電源與數(shù)據(jù)線，4是LCD12864液晶顯示模塊，5是按鍵模塊，6是壓力傳感器載物板.

(a)

在測(cè)量過(guò)程中，將物體放在壓力傳感器載物板上，主控制器通過(guò)壓力傳感器、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量物體的質(zhì)量，如待測(cè)物體(金屬塊)、水、量熱器內(nèi)筒及攪拌器等的質(zhì)量.置于單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器完成計(jì)時(shí)功能，防水型溫度傳感器實(shí)時(shí)地測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的溫度，上述測(cè)量數(shù)據(jù)均可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并顯示在LCD12864液晶顯示模塊上，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與計(jì)算.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用STC89C52單片機(jī)對(duì)傳統(tǒng)的固體比熱容測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的儀器能夠有效地降低傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的人為操作誤差，利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器功能、重力傳感器以及溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的智能化采集、顯示與存儲(chǔ)，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加準(zhǔn)確、高效，此改進(jìn)不僅能夠用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，而且為行業(yè)內(nèi)測(cè)量固體比熱容提供較好的幫助.