无机械磨损的密立根油滴仪

曹宁袆,李 猛，赵昕若，张 莉，王文娟

(南京工业大学 数理科学学院，江苏 南京 211800)

无机械磨损的密立根油滴仪

曹宁袆,李 猛，赵昕若，张 莉，王文娟

(南京工业大学 数理科学学院，江苏 南京 211800)

开发了数字控制系统用于密立根油滴仪，用光电编码器替代电位器进行平衡电压的调节，用触摸屏上的按键替代机械按键. 改装后的密立根油滴仪实现了完全无机械磨损的数字化控制，而且测量精度不受环境温度、湿度等因素的影响.

密立根油滴仪；光电编码器；触摸屏

密立根油滴实验是近代物理的重要实验项目之一，是实验物理的典范，也是启发性实验的代表作[1-4]. 现有普遍使用的密立根油滴实验仪，2个金属极板之间的控制电压是通过电位器调节的，实验中油滴运行状态的控制通过机械开关或者机械按键实现. 电位器损坏以及机械按钮失灵在实验设备故障所占比重最大. 由于大量反复使用，电位器容易产生触点磨损，导致调节电压不稳定直至失调. 电位器还会因为使用环境潮湿、温度变化等因素，导致输出电压不稳定或不精确. 而仪器的功能选择、计时开关等则会由于频繁操作导致接触不良等致使仪器无法正常使用.

1 设计原理及方案

本仪器使用光电编码器结合触摸屏提供数字信号，通过电路芯片以及单片机的软件处理后，达到仪器的电压调节和控制油滴运动状态以及计时状态全数字化操作的目的. 采用光电编码器替换电位器，在调节电压过程中实现无机械磨损，延长了仪器使用寿命；使用触摸屏替代机械按钮，不仅提高了控制质量，而且减少了装置损坏率；采用数模转换电路、模数转换电路，配合电压调节电路可实现电压调节，具有更高的控制精度.

设计方案如图1所示，包括：MCS51单片机、光电编码器电路、触摸控制输入电路、液晶显示电路、数模转换电路、模数转换电路、电压调节电路、视频显示、复位电路、自检报警电路[5-8]. 实物图如图2所示. 该仪器设计方案最大特色在于其完全无机械磨损的数字化控制：用光电编码器代替电位器进行平衡电压的调节，用触摸屏上的图形按键来替代机械按键.

图1 整体结构示意图

图2 无机械磨损的密立根油滴实验仪

2 触摸控制输入电路及光电编码电路

触摸控制输入电路和光电编码电路的输出端均与单片机的信号输入端连接,如图3所示，单片机型号为AT89C51，单片机的信号输出端分别与液晶显示电路的输入端以及数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端与电压调节电路的输入端连接，电压调节电路通过模数转换电路与单片机连接，电压调节电路用于调节实验仪的2个金属极板之间的电压[5-6,9-10].

图3 单片机的电路连接示意图

光电编码电路用以将编码器旋转产生的数字脉冲信号提供给单片机，包括光电编码器U4、上拉电阻R6和R7. 如图4所示，光电编码器U4的A路输出端与单片机P32端口连接， U4的B路输出端与单片机P33端口连接，上拉电阻R6设置在单片机P32端口处，上拉电阻R7设置在单片机P33端口处[9].

图4 光电编码电路示意图

当实验者需要调节油滴平衡电压时，旋转光电编码器，光电编码器会发出2路相位不同的数字脉冲信号，单片机将接收到的数字脉冲信号加以判断、处理. 根据2路信号相位的状况判别其正转还是反转：若正转，即提升平衡电压；若反转，即降低平衡电压. 单片机还根据编码器旋转的速度，自动作出粗、细调节平衡电压的选择. 触摸控制输入电路用于向单片机提供触摸图形按键后产生的数字信号，包括M100触摸屏，触摸屏的LCD-TOUCH端通过串口与单片机连接[5-6,10].

3 触摸屏及操作界面

图5为触摸屏，其操作界面如图6所示，根据实验进程，实验者需要控制被测油滴在极板间的平衡、上升、下降的状态转换以及控制计时器的启停. 控制系统采用触摸屏上的图形按钮发出信号，经过单片机处理后改变2个金属极板之间的电压，实现功能的转换，且控制计时器的启停. 单片机配合数模转换和模数转换电路实现对2个金属极板之间电压的控制和数据采集，金属极板之间的电压和计时器的数据显示在视频显示器上.

图5 触摸屏

液晶屏的初始界面显示2个板块[图6(a)]，其一为“实验”选项，其二为其他“功能”选项,此选项是为仪器的升级或输出数据而设置. 点击“实验”选项，进入界面[图6(b)]，界面中可见“极性”、“联动”、“计时”、“上升”、“平衡”、“下降”选项. 上升：在两极板间加电压，使带电油滴上升. 平衡：在两极板间加电压，驱走大部分油滴，留下少部分适于实验的油滴，这些油滴在此电压下接近平衡. 下降：触摸该按钮1次，此按钮切换为按下状态，两极板间电压变为0 V. 计时：触摸该按钮1次，此按钮切换为按下状态，计时器启动，再按1次，计时器停止. 联动：此按钮为按下状态时，触摸“下降”按钮的同时开始计时，触摸“平衡”按钮的同时停止计时. 再次按下“下降”按钮时，时间将自动清零，同时开始下一轮计时.

(a)

(b)图6 仪器操作界面

4 应用效果

我校物理实验中心每年承担学校近400个班级的大学物理实验教学，每人1台仪器，也就是说每台仪器每年要提供近400次实验，使用频率相当高. 从2014年开始，该仪器已被投入到我校物理实验教学当中，3年教学下来，每台仪器已经历了将近1 200次的实践考验，与传统仪器相比，故

障率明显下降，其中电压调节旋钮、电压切换开关和计时开关故障率从原来的将近70%下降到低于10%. 大大提高了设备的完好率，能够使教师集中精力于学生实验过程的辅导，而学生也可以将主要精力投入到实验当中，进而达到提高教学效率的目的.

[1] 蔡永明,王新生. 大学物理实验[M]. 2版. 北京：化学工业出版社，2009：159-163.

[2] 顾大伟,张共宁,袁丕方. 大学物理实验指导与报告[M]. 2版. 北京：科学出版社，2008：75-77.

[3] 何雨华，方恺，倪晨，等. 数字化密立根油滴实验仪[J]. 物理实验，2014,34(11)：30-33.

[4] 任文艺，姜建刚，伍丹，等. 密立根油滴实验中水平调节的重要性[J]. 物理实验，2016,36(2)：10-13.

[5] 肖看，李群芳. 单片机原理、接口及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2010：21-53，98-132，245-285.

[6] 汪建. 单片机原理及应用技术[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2012：255-3111.

[7] 王长涛,韩忠华,夏兴华. 单片机原理及应用——C语言程序设计与实现[M]. 2版. 北京：人民邮电出版社，2014：138-153.

[8] 深圳宏晶科技有限公司. STC15单片机中文数据手册[Z]. 2014:523-556，612-626.

[9] 姜义. 光电编码器的原理与应用[J]. 传感器世界，2010，37(2)：16-19.

[10] 北京迪文科技有限公司. 迪文DGUS屏开发指南V40[Z]. 2014:3-52.

[责任编辑：任德香]

Millikan oil drops instrument without mechanical abrasion

CAO Ning-yi, LI Meng, ZHAO Xin-ruo, ZHANG Li, WANG Wen-juan

(School of Physical and Mathematical Sciences, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

An electrical system for Millikan oil drops instrument was developed, in which an photoelectric encoder was used for voltage regulation to control the balance voltage, and the touch panel combined with single chip control was used to replace the mechanical key. Thus, the modified Millikan oil drops instrument realized digitalization and abrasion free, and the environmental factors, such as temperature or humidity, had little effects on the measurement results.

Millikan oil drops instrument; photoelectric encoder; touch screen

2016-11-01；修改日期：2016-12-14

曹宁祎(1995-)，女，江苏阜宁人，南京工业大学数理科学学院2013级本科生.

指导教师：王文娟(1987-)，女，山西岚县人，南京工业大学数理科学学院实验师，硕士，从事物理实验教学工作.

TP211.1；O4-33

A

1005-4642(2017)07-0043-03