智能化多功能物理量測量儀

閆文林 ，張永祥，張冠芬

（1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100048；2.荷澤學(xué)院 物理系，山東 荷澤 274015）

1 引言

在實(shí)驗(yàn)室中，現(xiàn)有儀器不能任意測量單擺的簡諧振動周期和慣性稱測量不同質(zhì)量物體的振動周期時計算方法過于復(fù)雜，且測量周期儀器的精確度較低，周期選擇具有一定的局限性，引用范圍太窄，只能測量10T，20T，30T，精度0.01s.通過研究發(fā)現(xiàn)，利用智能化多功能物理量測量儀可在1～999 個周期內(nèi)任意測量，并且精度達(dá)到0.000 1s，同時，可滿足多種功能測量，簡化了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備.

2 模塊設(shè)計方案及原理

2.1 整體設(shè)計方案

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

該測量儀的整體設(shè)計思路如圖1 所示：以AT89S52單片機(jī)為核心，利用其內(nèi)部的定時／計數(shù)器完成對待測信號的周期和頻率的測量及簡諧振動周期的測量，并通過1602 液晶顯示測量數(shù)據(jù).使用紅外傳感器采集數(shù)據(jù)，測量簡諧振動周期時，周期個數(shù)可以在1～999任意設(shè)置.利用單片機(jī)可測量頻率.因此可任意測量單擺的簡諧振動周期和慣性稱測量不同質(zhì)量物體的振動周期。根據(jù)電感與頻率、電容之間的關(guān)系L=1／（4π2f2C），通過單片機(jī)測量其信號頻率來測量電感；根據(jù)電阻與周期、電容的關(guān)系R=t／（1.4C），通過單片機(jī)測量振蕩周期來測量待測電阻.

2.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計方案以及原理

1）分頻模塊

采用雙4位二進(jìn)制計數(shù)器74HC393構(gòu)成二級分頻電路，可得到原信號頻率的1／16，1／256的分頻信號，如圖2所示.

圖2 分頻電路圖

2）整形模塊

整形電路見圖3.采用高頻器件，輸入信號經(jīng)三極管放大以后輸入到電壓比較器中，當(dāng)輸入信號頻率較高時經(jīng)電壓比較器輸出的方波信號失真，所以再將比較器輸出的信號輸入到反相器74HC04中進(jìn)一步整形得到較好方波信號.如果輸入的信號為TTL 信號可以不經(jīng)整形電路直接輸入到下一級分頻電路，最終將信號輸入單片機(jī).

圖3 整形電路圖

3）電阻測量模塊

測量電阻［1］，主要是將產(chǎn)生的周期脈沖信號連接給單片機(jī)，運(yùn)用公式R=t／（1.4C），采用單片機(jī)內(nèi)部的16位定時器／計數(shù)器來測量多諧振蕩電路的振蕩周期來求電阻.

4）電感測量模塊

采用CD4069 和74HC04 反相器，構(gòu)成一個CMOS緩沖振蕩器，將產(chǎn)生的脈沖信號連接給單片機(jī)，運(yùn)用公式L=1／（4π2f2C）通過測量脈沖信號頻率來求電感.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

AT89S52有2個16位的定時器／計數(shù)器T0和T1［2］.初始化程序?qū)0設(shè)置為計數(shù)器，T1設(shè)置為定時器.T0是工作在計數(shù)狀態(tài)下，對測量的輸入信號進(jìn)行計數(shù)，但對工作在計數(shù)狀態(tài)下的T0，最大計數(shù)值為fOSC／24，由于fOSC=12 MHz，因此，T0的最大計數(shù)頻率為500kHz.T1工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間為65ms，達(dá)不到1s的定時，所以采用定時50ms，共定時20次，即可完成1s的定時功能.測量儀開始工作完成一次頻率或周期的測量，程序都進(jìn)行測量初始化.初始化模塊是用來設(shè)置1602液晶顯示、工作寄存器、中斷控制和定時／計數(shù)器的工作方式的.

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法.上電后，進(jìn)入初始化模塊，系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行.在執(zhí)行過程中，根據(jù)選擇分別調(diào)用各個功能模塊完成對應(yīng)的物理量測量.程序流程圖如圖4所示.

圖4 程序流程圖

其中，k0為功能選擇鍵，通過k0選擇工作狀態(tài)，即m=0時，測量簡諧振蕩周期；m=1時，測量輸入信號周期；m=2 時，測量輸入信號頻率；m=3時，測量電阻；m=4時，測量電感.在測量簡諧振蕩周期時需要選擇周期個數(shù)，初始化默認(rèn)值為10，可以通過k1鍵和k2鍵進(jìn)行簡諧振蕩周期個數(shù)c的增加和減小.

4 實(shí)測結(jié)果和誤差分析

4.1 實(shí)測結(jié)果

為衡量該測量儀的工作情況和測量精度，以TFG2015GDDS函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號f 和T 為標(biāo)準(zhǔn)，對信號源進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)如表1～2所示.

分析：主要采用傳統(tǒng)的計數(shù)法［2-3］來實(shí)現(xiàn)周期信號測量和頻率測量，誤差主要來源主于計數(shù)誤差和閘門誤差.可通過選用穩(wěn)定的單片機(jī)晶振來減少該閘門時間相對誤差.采用該測量儀可測量輸入信號的周期和頻率，且周期精度為0.000 1s，頻率精度為0.01Hz.

表1 信號頻率測量

表2 信號周期測量

4.2 測量簡諧振動周期

在測單擺的簡諧振動周期和慣性稱測不同質(zhì)量物體的振動周期時，取重力加速度g=9.8N／kg作為標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)公式T=2π，求出任意擺長下的標(biāo)準(zhǔn)周期T.測量數(shù)據(jù)如表3和表4所示.

表3 測單擺的簡諧振動周期

表4 慣性秤測不同質(zhì)量物體的振動周期

采用計數(shù)法測量單擺的簡諧振動的周期誤差主要來自外部實(shí)驗(yàn)器材受外界環(huán)境的影響.還有部分誤差是由于單片機(jī)晶振的頻率不穩(wěn)定引進(jìn)的計時誤差.測簡諧振動的周期時，采用了單片機(jī)內(nèi)部的定時器及計數(shù)功能，取代傳統(tǒng)的人工計數(shù)和用數(shù)字毫秒計手動計時的方法，從而降低了實(shí)驗(yàn)誤差.1～999個周期可以隨意設(shè)定，測得簡諧振動的周期精確度可以為0.000 1s.

4.3 測量電阻和電感

在測量電阻和電感大小時，通過測量頻率來間接測量電阻和電感.測量數(shù)據(jù)如表5～6所示.

表5 電阻測量

表6 電感測量

由于建立RC 穩(wěn)定振蕩的時間較長，在測量電容和電阻時，應(yīng)在顯示穩(wěn)定后再讀取參量值.RC 振蕩的穩(wěn)定性可達(dá)0.001，單片機(jī)測頻率最多誤差1個脈沖，因此由單片機(jī)測頻率引起的誤差在0.01以下.利用555定時器和待測電阻構(gòu)成多諧振蕩電路，再利用單片機(jī)的定時器測量振蕩電路的振蕩周期，通過測量周期間接測得待測電阻或無極性電容，并驗(yàn)證RC 振蕩電路實(shí)驗(yàn).電阻靈敏度為0.01Ω.利用CMOS反相器構(gòu)成皮爾茲CMOS緩沖振蕩器，通過測量頻率間接測量電感并驗(yàn)證LC 振蕩實(shí)驗(yàn)，精度為0.01μH.

5 結(jié)束語

該儀器使用液晶屏顯示操作提示語句，降低了操作難度，智能性強(qiáng)，誤差較小并且性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)顯示一目了然.在測量簡諧振動（如：慣性秤測不同質(zhì)量物體、單擺上的簡諧振動等）的周期時，精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于操作等；在測量信號頻率和信號周期過程中，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且精度較高；在驗(yàn)證RC 振蕩實(shí)驗(yàn)和LC 振蕩實(shí)驗(yàn)過程中，操作簡單，便于學(xué)生理解，可以廣泛應(yīng)用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)和信號測量中.

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