【摘 要】本文介紹了一種將GPS模塊與重力加速度的測(cè)量相結(jié)合，使測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理一體化，使實(shí)驗(yàn)過程簡單化，能快速測(cè)量某地的經(jīng)、緯度和重力加速度的測(cè)量儀。

【關(guān)鍵詞】AT89S52；GPS；經(jīng)、緯度；重力加速度

【Abstract】This thesis introduces an instrument for rapidly measuring the longitude，latitude and acceleration of gravity of certain location， which integrates GPS Module and the measurement of Acceleration of Gravity and simplify the experimental process.

【Key words】AT89S52；GPS；Longitude、Latitude；Acceleration of Gravity

0 引言

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常測(cè)量重力加速度[1]的方法有：（1）用電火花描跡儀測(cè)量自由落體的重力加速度。此方法由于比較繁瑣和誤差比較大在實(shí)際應(yīng)用中逐漸被淘汰；（2）用重力加速度測(cè)量儀來測(cè)量重力加速度。此方法是通過光電門得到物體的下降時(shí)間，并由數(shù)字毫秒機(jī)顯示，通過設(shè)定不同的距離進(jìn)行多次測(cè)量，然后按最小二乘法進(jìn)行手工計(jì)算求得重力加速度值。此方法存在兩個(gè)主要缺陷：a.光電門工作時(shí)受外界影響比較大，裝置穩(wěn)定性較低；b.需要手工計(jì)算疲感不便，不可避免由于計(jì)算帶來的誤差。

為了使實(shí)驗(yàn)過程簡單以及提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們對(duì)傳統(tǒng)的重力加速度測(cè)量儀進(jìn)行了改進(jìn)。應(yīng)用霍爾元件來采集信號(hào)，這樣大大增強(qiáng)了儀器的抗干擾能力，并且增加了所需采集信號(hào)的個(gè)數(shù)，這樣避免了傳統(tǒng)重力加速度儀需要多次測(cè)量的弊端；利用單片機(jī)[2]對(duì)裝置進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，省去了原實(shí)驗(yàn)裝置中用的數(shù)字毫秒計(jì)；利用單片機(jī)進(jìn)行較精確的計(jì)時(shí)并完成有關(guān)計(jì)算過程，進(jìn)一步顯示計(jì)算結(jié)果；同時(shí)裝置還增加了GPS模塊，這樣就可以精確的測(cè)量顯示某地的重力加速度值，方便對(duì)各地的重力加速度值進(jìn)行測(cè)量、記錄；此裝置還增加了通過單片機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、打印，以及與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的功能；為了人性化，我們優(yōu)化了裝置的顯示功能，增加了時(shí)間、日期功能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置電氣部分組成

實(shí)驗(yàn)裝置的電氣部分主要有霍爾元件開關(guān)、單片機(jī)、GPS模塊、LCD液晶、相應(yīng)的電路以及相應(yīng)的軟件等部分組成。

四個(gè)霍爾開關(guān)的輸出信號(hào)通過接口電路后送到單片機(jī)，在第一個(gè)霍爾開關(guān)接受到外部信號(hào)時(shí)打開單片機(jī)中的定時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，以檢測(cè)磁柱下降的時(shí)刻以及經(jīng)過相鄰兩個(gè)霍爾開關(guān)所經(jīng)歷的時(shí)間。當(dāng)三段時(shí)間測(cè)得后，由單片機(jī)完成所有計(jì)算，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過顯示器顯示。

1.1 單片機(jī)部分硬件的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置硬件主要有單片機(jī)及其外圍電路組成，去掉了原實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)字毫秒計(jì)，增加了四個(gè)霍爾開關(guān)，具體電路如圖2所示?；魻栭_關(guān)信號(hào)的輸出經(jīng)過rs觸發(fā)器（接口電路）產(chǎn)生與磁柱經(jīng)過時(shí)間成正比的脈沖，該脈沖送入AT89S52

單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)單元，并作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)信號(hào)，從而測(cè)得小球經(jīng)過四個(gè)霍爾開關(guān)的時(shí)間。增加的六個(gè)鍵盤按鈕不僅可以對(duì)時(shí)間、日期進(jìn)行調(diào)整，而且可以方便的選擇不同的工作模塊。GPS模塊與單片機(jī)相連，將實(shí)時(shí)經(jīng)度、維度顯示在LCD液晶屏上。

1.2 軟件部分設(shè)計(jì)

程序主要工作流程如圖3所示。軟件主要有GPS數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算以及顯示等模塊組成。由于最小二乘法原理就是要獲得最可靠地測(cè)量結(jié)果，使各個(gè)測(cè)量數(shù)字的殘余物差的平方和最小。在組合測(cè)量、試驗(yàn)曲線的擬合以及其他學(xué)科等方面都得到廣泛應(yīng)用，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用最小二乘法來處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

2 計(jì)算公式的優(yōu)化

設(shè)霍爾開關(guān)對(duì)應(yīng)位置為A，B，C，D。AB之間的距離為S1，BC之間的距離為S2，CD之間的距離為S3，BD之間的距離為S4，AB之間的時(shí)間為t1，BC之間的時(shí)間為t2，CD之間的時(shí)間為t3，BD之間的時(shí)間為t4。

用以下的公式就可以求出三個(gè)重力加速度值，再求出三個(gè)重力加速度的平均值便可以得到所需要求的重力加速度值。

3 結(jié)束語

應(yīng)用霍爾元件來采集信號(hào)，這樣大大增強(qiáng)了儀器的抗干擾能力，并且增加了所需采集信號(hào)的個(gè)數(shù)，這樣避免了傳統(tǒng)重力加速度儀需要多次測(cè)量的弊端。利用單片機(jī)對(duì)裝置進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，省去了原實(shí)驗(yàn)裝置中用的數(shù)字毫秒計(jì)。利用單片機(jī)進(jìn)行較精確的計(jì)時(shí)并完成有關(guān)計(jì)算過程，進(jìn)一步顯示計(jì)算結(jié)果。增加了GPS模塊，這樣就可以精確的測(cè)量顯示某地的經(jīng)、緯度和重力加速度值，方便對(duì)各地的重力加速度值進(jìn)行測(cè)量、記錄。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙近芳.大學(xué)物理學(xué)[M].北京郵電大學(xué)出版社，2011，12：133.

[2]楊桂林.智能化測(cè)量重力加速度的實(shí)驗(yàn)研究[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，12：229.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]