智能数字毫伏表在大学物理实验中的应用

陈 磊 张 凯 朱路扬 陶玉荣

摘要 智能数字毫伏表以单片机AT89S52为控制器,可对光学实验中的光强大小进行测量,并可对实验数据进行分析、处理,帮助验证相关实验原理。以光学单缝衍射实验为例,讨论数据的处理过程,并与理论值进行比较。本仪器操作简单,精度高,已应用在单缝衍射、偏振光、双缝干涉、杨氏模量测试等实验中。

关键词 单片机AT89S52;AD7705;毫伏表;物理实验

中图分类号:O4-33 文献标识码:B 文章编号: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

随着电子技术的发展,各种新技术不断应用在大学物理实验中,为实验的设计提供了智能化、数字化的实现方案。本设计利用单片机AT89S52的控制功能和16位数模转换器AD7705的良好性能,实现对光强数据的采集、处理数字化,并可通过设计不同控制软件,实现对不同实验的实验数据进行处理分析,帮助验证有关实验理论。本设计已应用在单缝衍射、偏振光、杨氏模量测试等实验中。这对于大学物理实验仪器是一种改进,具有一定的实际意义和应用价值。

1 系统硬件结构设计

系统原理如图1所示,传感器将测得的光强转换为电压,送给16位AD转换器AD7705;单片机提供AD控制信号和同步时钟等,控制AD器件进行A/D转换;得到的测量数据在液晶上显示,同时存储在E2PROM中;测量结束后可通过键盘进行功能选择,处理显示数据。

本系统的控制部件采用ATMEL公司生产的AT89S52,它有8 k字节的Flash ROM和256字节RAM,有3个定时器,2个外部中断,资源可以满足本设计的要求。并且支持串口通信和ISP在线编程,使程序的调试和编程更加方便。

传感器可根据不同的实验来选择,如果是光学实验,可选用线性度较好的光敏电池;如果是杨氏模量实验,可选用应变片等。

设计中所用AD转换器为Analog Devices公司生产的AD7705。AD7705利用∑-△转换技术实现16位无丢代码性能,并可通过编程改变信号增益,对于标准2.5 V参考电压,可实现量程范围从20 mV～2.5 V的选择,转换后产生串行数字输出。这个测量范围可满足一般传感器的输出范围需要。

设计中所用存储元件是ATMEL公司生产的AT24C08,这种存储元件接口简单,支持2线制串行I2C协议,数据可保存100年,并支持百万次的擦写;容量为1 k字节,可存储16位的数据512个。如果测量数据较多,不改变其他电路,直接换用AT24C16等更大容量的E2PROM即可。

信息显示是使用点阵字符液晶显示器,该显示器可同时显示2行16列共32个字符,在实验室环境中显示效果良好,完全满足系统信息的显示需要。另外使用2个LED指示状态,红色LED用来指示电源正常;绿色LED正常熄灭,系统在处理数据时闪亮,并配合蜂鸣器提醒使用者。

本设计预留ISP在线编程接口和与计算机通讯用串口,便于对系统进行软件升级和测试使用。

各硬件模块的具体电路图2所示。

2 系统软件设计

通过AT89S52的ISP编程接口,可随时对程序存储器中的控制程序进行修改,方便调试。正常使用后可用于控制程序的升级,方便地将本设计应用在多个物理实验中。下面以单缝衍射实验为例,说明软件的控制过程。

硬件系统应用在单缝衍射实验中时,光强传感器可选用光敏电池,直接将照射光强转换为mV级的电压值。

根据在实验室环境中测试,He-Ni激光器完全照射在光电池上转换电压不超过500 mV,所以AD7705的增益选择为4,在标准参考电压2.5 V的情况下,测量范围为0～625 mV,确保输入不会超出量程。

本系统的数据采集、数据的处理都是由单片机控制实现,设计过程采用模块化程序设计思想,用C语言编写[1],由主监控模块、AD数据采样控制模块、LCD显示模块、E2PROM读写模块、按键扫描模块等组成。控制程序流程图见图3。

系统复位后,分别对蜂鸣器、LCD、E2PROM、AD、LED显示器进行自检。自检通过后,自动测量环境光强,作为本底值存储下来。按任意键进入测量状态后,查询按键输入。之后的各种操作,程序正常停留状态就是“测量”“查看原始数据”“查看归一化数据”3种。程序设计中因为注意模糊性控制,在系统正常运行情况下,按任意功能键都会最后归结到上述3种状态中的一种,不会出现因按键错误死机、丢失数据等情况发生,保证程序运行的稳定性。

在进入测量状态后,按一次测量键,对当前位置采样6次,然后系统对6个数据用竞赛评分法进行处理:去除一个最大值和一个最小值,剩下的4个值取平均。这样可起到低通滤波的效果,以减小实验过程中环境光强变化和系统内部的噪声引起的随机误差。处理结果去除本底值后在E2PROM中存储,并在字符液晶上显示。

测量结束后,按归一化处理按键,即对所有数据查找最大值,并以此值为标度进行归一化处理,在LCD上显示相应百分比。如果删除数据或再增加测量数据,程序可自动判断,再查看归一化数据时是否要重新归一化处理。

存储在E2PROM中的数据掉电后仍然保留,可防止实验中意外掉电造成数据丢失。在下次重启系统自检后,按“查看原始数据”键即可显示上次实验的数据。

3 实验数据分析

以在单缝衍射实验中的应用为例。按实验要求[2]调整好实验装置后,多次改变单缝宽度,利用智能数字毫伏表测量得15组数据(表1),对表中数据作图进行分析(图4)。

根据夫琅和费单缝衍射理论,第一次极大与主极大的理论比值为0.047,第二次极大与主极大的比值为0.017[3]。从表2中可以看出,第一次极大与主极大的比值相对于理论值的平均误差为8.09%,第二次极大与主极大的比值相对于理论值的平均误差为11.25%。

4 误差原因分析及改进措施

经过分析,系统测量中可能产生误差的原因有以下几点。

1)从测量的数据中看,左侧第一次极大和第二次极大值都比理论值小,而右侧的第一次极大和第二次极大值都比理论值大,说明测量中单缝并未直接对准光源,造成左右光强不等。这一误差即使是反复调节也无法消除。

2)测量点光强太强会造成光电池的S-W效应(光致衰退效应),而使得AD的采样值不稳定。经多次测量后发现,在实验室条件下,调节单缝宽度,使得主极大条纹在2 cm左右时,S-W效应不太明显,但不能完全消除。

3)测量虽然已测得环境光的本底光强,并在后期处理显示中已减去本底光强值,但测量过程中环境光的改变,如实验人员的走动、室外光照角度的变化等都会造成测量中的误差。

5 总结

智能数字毫伏表有精度高、易操作、可扩展性好的特点。通过测试表明,硬件研制完成后,针对不同实验可方便地进行二次开发:根据不同实验编写相关控制软件,即可应用于多个大学物理实验中,进行数据的测量、存储和处理,以供实验者分析、验证相关实验理论。目前已应用在单缝衍射、偏振光、双缝干涉、杨氏模量测试等实验中,具有一定的实际意义和应用前景。

参考文献

[1]马忠梅,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:55-204

[2]谢敬辉,等.物理光学教程[M].北京:北京理工大学出版社,2005:170-173

[3]周殿清.大学物理实验[M].武汉:武汉大学出版社,2002:278-281