基于单片机控制的声速测量仪改进

尹学爱 李荣 马国利

摘要：针对现有的声速测量仪操作烦琐、试验误差大、观察不方便等缺点，设计了一款多功能的声速测定仪。通过单片机处理把电子数显尺数据输出到LCD液晶显示屏，并且可以在显示屏两侧显示每次幅值最大点对应得到的电子数显数据。实验还改进了原来声速测量的手摇部分，用电机驱动，以一个稳定的速度运行便于数据测量读取。

关键词：电机控速;自动测量;一体显示

中图分类号：TM935.37     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0257-02

一、引言

声速测量采用的共振法是通过示波器观察波谷和波峰，原理比较简单，但读数位置不易确定。基于这个原因，对原有实验仪器进行改进，改进后的声速测定仪在保证原有功能的前提下，在转动旋钮上加上了可控制的电机，通过控制电机来控制电机的转速，使它不再是传统的手摇式测定仪器，成为了一款新的智能的由电机控制测定仪器，最终实现位移的变化。另外把数显卡尺去掉，外接在12864液晶屏幕上，直接输出数据，其实验结果更加接近理论值。

二、系统设计

本设计通过单片机处理把电子数显尺数据输出到LCD液晶显示屏，并且在显示屏显示连续变化的测量距离值和记录每次幅值最大点对应得到的电子数显数据[1]。实验还将原来声速测量的手摇部分，改用电机驱动，运行速度稳定便于数据测量读取。实验者可通过总开关控制实验进程，实验过程只需观察示波器的峰值，当达到波峰或者波谷时，按下记录按键，记录此时的位移。通过电机自动控制，可方便观察示波器多次的峰值，并通过12864显示屏保存每次峰值对应的位移。实验完毕后调出位移数据，计算出声速。设计框图如图1所示。

三、核心硬件设计

1.信号输入电路。容栅蓝牙接口采用硬件电路检测容栅数显尺的时钟和数据信号[2，3]，通过软件控制，从容栅式数显尺的数据输出端输出[4]，经过电压比较器LM339输入到单片机，由单片机的端口检测串行数据达到数据要求开始读取，读到要的数据后开始进行提取数据组合处理。容栅数显尺工作电路图，如图2所示。

2.数据储存电路。数字存储芯片选择了Atmel公司推出的AT24C512，其作用是存储不同时刻的信号大小，克服了模拟示波器只能显示当前波形的缺点。由于该芯片采用I2C总线传输数据，所以需要单片机的I/O口用来模拟该总线。由此完成示波器模拟信号处理以及峰值的输出。数据存储流程图，如图3所示。

四、系统软件设计

1.容栅式数显尺数据处理[5]。根据数显卡尺的信号分析得到时序图，如图4所示。

根据上面的时序图可知，CLK为同步时钟信号，在一次数据传送中，开始为54μs的高电平，表示数据即将开始传送。接下来是Date输出两组各有24个宽度为13μs的窄脉冲，前组为绝对数据;后组为相对数据;前后两组数据之间有110μs的高电平作为间隔;最后是75μs的高电平，表示数据传送结束，其输出波形，如图4所示[5]。

对于数据处理，我们根据参考文献[5]选取用双电压LM393比较器进行信号转换移位寄存器74HC595和单片机进行串/并转换部分及数据采集。由此完成容栅数显尺的数据处理得到的数据精度达到0.001mm。

2.12864液晶显示峰值和数显尺数据。在LCD上共显示四行，根据时钟时间把两部分数据在其液晶上面显示出，再根据显示出的数据，由人控制处理得到其最大值记录，记录在液晶下方显示出其对应的数显尺距离数据，上侧显示数据随控制变化。下侧数据最多记录三组。

3.电机控制转速。由于实验要实现自动化测量读取输出，因此电机控速部分不能选用高速驱动的电机，选择JGA25-370-12V-153rpm电机作为控速电机，符合本实验的要求。通过电机驱动利用单片机程序控制其转速。

五、测量结果及分析

仪器改进后的声速测量结果48.521、72.9432。

FN=35.685KHz t=20℃

数据处理如下：

ΔL=

= =4.894mm

波长：λ=2ΔL=9.788mm

声速：Vt=λf=9.788×10-3×35.585×103m/s

=348.31m/s

百分误差：At= ×100%= ×100%=1.1%

改进后的声速测量仪由于利用显示屏同步计数功能测出的声速误差较小，声速测量的误差来源主要有电机震动影响波形的输出等因素产生的。

六、结语

作品的自动化程度较高，而且使用51单片机与LCD显示，是一种较为新颖的数据处理及显示的方式方法，而且数据的精度比原容栅数显尺精度要高。

参考文献：

[1]王安敏，王辛立，崔伟.基于AT89C52单片机的容栅传感器测距系统[J].仪表技术与传感器，2008，（9）：86-90.

[2]徐科军.容栅传感器的研究与应用[M].北京：清华大学出版社，1995：6-10.

[3]王煜东.传感器应用技术[M].西安：电子科技大学出版社，2006：100-102.

[4]马修水.容栅式电子数显卡尺接口[J].工具技术，实验室研究与探索，2013，（6）.

[5]梁应选，杨明亮.基于容栅传感器和单片机的检测系统[J].实验室研究与探索，2013，（06）：25-29.