陳 磊 張 凱 朱路揚(yáng) 陶玉榮

摘要 智能數(shù)字毫伏表以單片機(jī)AT89S52為控制器,可對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的光強(qiáng)大小進(jìn)行測(cè)量,并可對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,幫助驗(yàn)證相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理。以光學(xué)單縫衍射實(shí)驗(yàn)為例,討論數(shù)據(jù)的處理過(guò)程,并與理論值進(jìn)行比較。本儀器操作簡(jiǎn)單,精度高,已應(yīng)用在單縫衍射、偏振光、雙縫干涉、楊氏模量測(cè)試等實(shí)驗(yàn)中。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)AT89S52;AD7705;毫伏表;物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào):O4-33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-489X(2009)30-0108-03

Appliance of Intelligent-Digital Millivoltmeter in University Physics Experimental//Chen Lei, Zhang Kai, Zhu Luyang, Tao Yurong

Abstract Intelligent-digital millivoltmeter takes SCM AT89S52 as kernel. It can measure the intensity of light, as well as analyze and manipulate experiment data. The results can help experimenter to verify the experimental theory. Taking the case of single-slit diffraction experiment, the paper discussed the data processing and compared the data to theoretical value. The high precision apparatus is easy to manipulate, and has been applied in the single-slit diffraction experiment, polarized light experiment, double-slit interference experiment, Youngs modulus of elasticity testing experiment, etc.

Key words microcontroller AT89S52;AD7805;millivoltmeter; physical experiment

Authors address College of Physics Science Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu, 225002, China

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各種新技術(shù)不斷應(yīng)用在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,為實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供了智能化、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)方案。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)AT89S52的控制功能和16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7705的良好性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集、處理數(shù)字化,并可通過(guò)設(shè)計(jì)不同控制軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,幫助驗(yàn)證有關(guān)實(shí)驗(yàn)理論。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用在單縫衍射、偏振光、楊氏模量測(cè)試等實(shí)驗(yàn)中。這對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器是一種改進(jìn),具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理如圖1所示,傳感器將測(cè)得的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓,送給16位AD轉(zhuǎn)換器AD7705;單片機(jī)提供AD控制信號(hào)和同步時(shí)鐘等,控制AD器件進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;得到的測(cè)量數(shù)據(jù)在液晶上顯示,同時(shí)存儲(chǔ)在E2PROM中;測(cè)量結(jié)束后可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行功能選擇,處理顯示數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的控制部件采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52,它有8 k字節(jié)的Flash ROM和256字節(jié)RAM,有3個(gè)定時(shí)器,2個(gè)外部中斷,資源可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。并且支持串口通信和ISP在線(xiàn)編程,使程序的調(diào)試和編程更加方便。

傳感器可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇,如果是光學(xué)實(shí)驗(yàn),可選用線(xiàn)性度較好的光敏電池;如果是楊氏模量實(shí)驗(yàn),可選用應(yīng)變片等。

設(shè)計(jì)中所用AD轉(zhuǎn)換器為Analog Devices公司生產(chǎn)的AD7705。AD7705利用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無(wú)丟代碼性能,并可通過(guò)編程改變信號(hào)增益,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)2.5 V參考電壓,可實(shí)現(xiàn)量程范圍從20 mV～2.5 V的選擇,轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生串行數(shù)字輸出。這個(gè)測(cè)量范圍可滿(mǎn)足一般傳感器的輸出范圍需要。

設(shè)計(jì)中所用存儲(chǔ)元件是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C08,這種存儲(chǔ)元件接口簡(jiǎn)單,支持2線(xiàn)制串行I2C協(xié)議,數(shù)據(jù)可保存100年,并支持百萬(wàn)次的擦寫(xiě);容量為1 k字節(jié),可存儲(chǔ)16位的數(shù)據(jù)512個(gè)。如果測(cè)量數(shù)據(jù)較多,不改變其他電路,直接換用AT24C16等更大容量的E2PROM即可。

信息顯示是使用點(diǎn)陣字符液晶顯示器,該顯示器可同時(shí)顯示2行16列共32個(gè)字符,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中顯示效果良好,完全滿(mǎn)足系統(tǒng)信息的顯示需要。另外使用2個(gè)LED指示狀態(tài),紅色LED用來(lái)指示電源正常;綠色LED正常熄滅,系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)閃亮,并配合蜂鳴器提醒使用者。

本設(shè)計(jì)預(yù)留ISP在線(xiàn)編程接口和與計(jì)算機(jī)通訊用串口,便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)和測(cè)試使用。

各硬件模塊的具體電路圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)AT89S52的ISP編程接口,可隨時(shí)對(duì)程序存儲(chǔ)器中的控制程序進(jìn)行修改,方便調(diào)試。正常使用后可用于控制程序的升級(jí),方便地將本設(shè)計(jì)應(yīng)用在多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)中。下面以單縫衍射實(shí)驗(yàn)為例,說(shuō)明軟件的控制過(guò)程。

硬件系統(tǒng)應(yīng)用在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中時(shí),光強(qiáng)傳感器可選用光敏電池,直接將照射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為mV級(jí)的電壓值。

根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試,He-Ni激光器完全照射在光電池上轉(zhuǎn)換電壓不超過(guò)500 mV,所以AD7705的增益選擇為4,在標(biāo)準(zhǔn)參考電壓2.5 V的情況下,測(cè)量范圍為0～625 mV,確保輸入不會(huì)超出量程。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理都是由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)過(guò)程采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想,用C語(yǔ)言編寫(xiě)[1],由主監(jiān)控模塊、AD數(shù)據(jù)采樣控制模塊、LCD顯示模塊、E2PROM讀寫(xiě)模塊、按鍵掃描模塊等組成。控制程序流程圖見(jiàn)圖3。

系統(tǒng)復(fù)位后,分別對(duì)蜂鳴器、LCD、E2PROM、AD、LED顯示器進(jìn)行自檢。自檢通過(guò)后,自動(dòng)測(cè)量環(huán)境光強(qiáng),作為本底值存儲(chǔ)下來(lái)。按任意鍵進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)后,查詢(xún)按鍵輸入。之后的各種操作,程序正常停留狀態(tài)就是“測(cè)量”“查看原始數(shù)據(jù)”“查看歸一化數(shù)據(jù)”3種。程序設(shè)計(jì)中因?yàn)樽⒁饽：钥刂?在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下,按任意功能鍵都會(huì)最后歸結(jié)到上述3種狀態(tài)中的一種,不會(huì)出現(xiàn)因按鍵錯(cuò)誤死機(jī)、丟失數(shù)據(jù)等情況發(fā)生,保證程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)后,按一次測(cè)量鍵,對(duì)當(dāng)前位置采樣6次,然后系統(tǒng)對(duì)6個(gè)數(shù)據(jù)用競(jìng)賽評(píng)分法進(jìn)行處理:去除一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,剩下的4個(gè)值取平均。這樣可起到低通濾波的效果,以減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境光強(qiáng)變化和系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲引起的隨機(jī)誤差。處理結(jié)果去除本底值后在E2PROM中存儲(chǔ),并在字符液晶上顯示。

測(cè)量結(jié)束后,按歸一化處理按鍵,即對(duì)所有數(shù)據(jù)查找最大值,并以此值為標(biāo)度進(jìn)行歸一化處理,在LCD上顯示相應(yīng)百分比。如果刪除數(shù)據(jù)或再增加測(cè)量數(shù)據(jù),程序可自動(dòng)判斷,再查看歸一化數(shù)據(jù)時(shí)是否要重新歸一化處理。

存儲(chǔ)在E2PROM中的數(shù)據(jù)掉電后仍然保留,可防止實(shí)驗(yàn)中意外掉電造成數(shù)據(jù)丟失。在下次重啟系統(tǒng)自檢后,按“查看原始數(shù)據(jù)”鍵即可顯示上次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用為例。按實(shí)驗(yàn)要求[2]調(diào)整好實(shí)驗(yàn)裝置后,多次改變單縫寬度,利用智能數(shù)字毫伏表測(cè)量得15組數(shù)據(jù)(表1),對(duì)表中數(shù)據(jù)作圖進(jìn)行分析(圖4)。

根據(jù)夫瑯和費(fèi)單縫衍射理論,第一次極大與主極大的理論比值為0.047,第二次極大與主極大的比值為0.017[3]。從表2中可以看出,第一次極大與主極大的比值相對(duì)于理論值的平均誤差為8.09%,第二次極大與主極大的比值相對(duì)于理論值的平均誤差為11.25%。

4 誤差原因分析及改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)分析,系統(tǒng)測(cè)量中可能產(chǎn)生誤差的原因有以下幾點(diǎn)。

1)從測(cè)量的數(shù)據(jù)中看,左側(cè)第一次極大和第二次極大值都比理論值小,而右側(cè)的第一次極大和第二次極大值都比理論值大,說(shuō)明測(cè)量中單縫并未直接對(duì)準(zhǔn)光源,造成左右光強(qiáng)不等。這一誤差即使是反復(fù)調(diào)節(jié)也無(wú)法消除。

2)測(cè)量點(diǎn)光強(qiáng)太強(qiáng)會(huì)造成光電池的S-W效應(yīng)(光致衰退效應(yīng)),而使得AD的采樣值不穩(wěn)定。經(jīng)多次測(cè)量后發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)室條件下,調(diào)節(jié)單縫寬度,使得主極大條紋在2 cm左右時(shí),S-W效應(yīng)不太明顯,但不能完全消除。

3)測(cè)量雖然已測(cè)得環(huán)境光的本底光強(qiáng),并在后期處理顯示中已減去本底光強(qiáng)值,但測(cè)量過(guò)程中環(huán)境光的改變,如實(shí)驗(yàn)人員的走動(dòng)、室外光照角度的變化等都會(huì)造成測(cè)量中的誤差。

5 總結(jié)

智能數(shù)字毫伏表有精度高、易操作、可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試表明,硬件研制完成后,針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)可方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā):根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)編寫(xiě)相關(guān)控制軟件,即可應(yīng)用于多個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量、存儲(chǔ)和處理,以供實(shí)驗(yàn)者分析、驗(yàn)證相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論。目前已應(yīng)用在單縫衍射、偏振光、雙縫干涉、楊氏模量測(cè)試等實(shí)驗(yàn)中,具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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