滕德虎

（安徽省蕪湖機械工程學校 安徽省蕪湖市 241200）

自由落體重力加速度測量是中學物理教學中的一個重要實驗，也是大學普通物理實驗課程中最基本的驗證性實驗之一，在物理學中占有重要地位。目前，該實驗原理是讓小球自由下落，通過測量小球下落過程中的上端距離h1、全程距離h2和上端時間t1、全程時間t2，根據(jù)導(dǎo)出式g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1)計算重力加速度大小。其測量裝置主要有支架、電磁鐵、三個光電門、小球、接球盒、鉛垂線和電子計時器組成。

這種測量方式需要手工記錄測量數(shù)據(jù)并進行復(fù)雜計算，數(shù)據(jù)管理手段簡陋、效率低下。

為了避免以上缺點，可將單片機測量的時間發(fā)送到計算機專用軟件，自動計算、顯示和存儲測量結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1：數(shù)據(jù)處理方框圖

1 計時器改裝

計時器由光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、單片機數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)輸出電路電路構(gòu)成，用于測量數(shù)據(jù)的采樣、處理與發(fā)送。

三個光電門與對應(yīng)的三路兩級開關(guān)電路連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)輸入電路。圖2 為上端光電門及相應(yīng)的輸入接口電原理圖。

圖2：上端光電門輸入接口電原理圖

光路連通時，光電接收管電阻很小，光電門輸出高電平，Q11導(dǎo)通、Q12 截止，光路指示燈DS1 熄滅，電路輸出高電平。光路切斷時，光電接收管電阻很大，光電門輸出低電平，Q11 截止、Q12導(dǎo)通，光路指示燈DS1 點亮，電路輸出低電平。中間光電門和下端光電門及其接口電路與之相仿。

單片機采用STC89C52 芯片，以廠家數(shù)據(jù)手冊推薦的典型電路構(gòu)建最小系統(tǒng)。

上、中、下三路輸入接口電路將光路信號分別輸入到單片機三個控制引腳，以控制單片機內(nèi)部程序運行。光路連通時，該三個引腳為高電平。當小球下落至上端光電門時，光路斷開，對應(yīng)引腳被置低電平，內(nèi)部計時器TIMER0 開始計時；當小球下落至中間光電門時，對應(yīng)引腳被置低電平，程序第一次讀出TIMER0 計時值，也就是小球從上端光電門到中間光電門的下落時間；當小球下落至下端光電門時，對應(yīng)引腳被置低電平，程序第二次讀出TIMER0 計時值，也就是小球從上端光電門到下端光電門的下落時間，同時將兩次讀出的時間數(shù)據(jù)通過輸出接口發(fā)送給計算機專用測量軟件，并復(fù)位單片機內(nèi)部測量數(shù)據(jù)，為下一次實驗做好準備。其具體程序如下：

輸出接口電路采用CH340G 芯片，使用廠家推薦的典型電路實現(xiàn)串口通信。

計時器采用5V 電源，功率約為1W，直接由計算機USB 口供電。

2 測量軟件的開發(fā)與應(yīng)用

自由落體重力加速度測量實驗專用軟件由Visual FoxPro 開發(fā)，它是一個無需安裝的綠色小軟件。其主界面用于測試環(huán)境數(shù)據(jù)輸入和測試結(jié)果顯示，如圖3所示。

圖3：重力加速度測量主界面

測量時，用戶要事先選擇實驗城市，并輸入小球下落的上端高度和全程高度；小球下落后，單擊“接收數(shù)據(jù)”按鈕，軟件即可自動收集、計算和保存數(shù)據(jù)，并立即顯示測量結(jié)果。

為了方便使用，軟件提供了數(shù)據(jù)瀏覽和管理功能，也可以將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel 文件，便于分析、打印。

改進后的測量裝置經(jīng)上千次實驗，其計時結(jié)果可精確到0.1 毫秒，既有效提高測量精度，同時，利用開發(fā)的專用軟件自動收集、計算和保存測量數(shù)據(jù)，避免復(fù)雜運算，大大提高工作效率。