智能化单摆系统的设计与应用.docx

智能化单摆系统的设计与应用徐爱钧(湖北荆州江汉石油学院电子信息工程系 ,434102)摘要 阐述了一种基于 MCS - 51 单片机的智能化单摆系统测量重力加速度的原理和设计方法 ,利用 8052 单 片机内部定时器对光电传感器捕捉到的单摆振动周期进行精确测量 ,根据摆长 、摆角振动周期数等参数由单片机自动计算出重力加速度结果值 ,可十分方便地进 行测量误差分析和矫正 。通常采用米尺测量单摆绳长 l , 用游标卡尺测量小球直径以确定摆长 ,用机械秒表记录单摆 振动周期 T ,然后用公式 (2) 计算出本地的重力 加速度 。实际测量时为提高精度 ,应测取多个 振动周期后取其平均值 ,同时应保证单摆的摆 角θ≤5°,若摆角过大或振动周期 T 测量不准都 将引入较大的测量误差 。为了提高测量的准确 性 ,同时简化测量过程 , 我们利用 MCS - 51 单 片机和光电测量技术研制了一种智能化单摆重 力加速度测试系统 ,测量精度高 ,可一次测取多 个数据 ,由单片机自动完成对测量数据的实时 处理和分析计算 ,直接从 L ED 显示器上输出最终测量结果 ,需要时还可将测量结果用打印机 输出 。关键词 单摆 重力加速度单片机1设计思路采用单摆法测取重力加速度是物理实验教学中的一个重要环节 ,如图 1 所示 ,长度为 l 的系统硬件结构智能化单摆重力加速度测试系统由单摆支 架 、测量主机等组成 ,如图 1 所示 。单摆支架上 带量角器的移动悬梁 ,可以很方便地改变单摆 悬点位置 ,从支架立柱标尺上可准确读取摆长 , 量角器能测读 0～90 度单摆摆角 ,可很方便地 对不同摆角下的测量数据进行分析比较 。在支 架上靠近摆球处安装了一对红外线光电检测 器 ,利用摆球通过其间挡光产生的脉冲信号送 入单片机进行计数以实现单摆振动周期的测 量 ,振动周期测量次数可人为设定 。测量主 机 硬 件 框 图 如 图 2 所 示 。单 片 机8032 是仪器的核心 ,用 8032 的 P0 和 P2 口形成 外部 扩 展 地 址Π数 据 总 线 , 外 扩 EPROM 芯 片2764 用于存放监控程序 , RAM 芯 片 6264 用 来存放测量数据 , P1 口用于控制微型打印机 , 另·23 ·2图 1 单摆法测量重力加速度原理细绳上端固定 ,下端系一质量为 m 、直径为 D 的 小球 ,当小球受重力作用以很小的振幅 ( 摆角θ≤5°) 在平衡点附近作往复运动时 ,可认为单摆的运动是一种简谐运动1振动周期为LT = 2π(1)g式中 :L 为单摆摆长 ,其值为 l + DΠ2由此可得重力加速度的计算公式为 :( 2π) 2(2)g =×LT外还扩展了一片可编程芯片 8279 用于实现键盘显示 器 接 口 , 将 复 杂 的 输 入 输 出 操 作 交 给8279 内部管理电路完成 ,让单片机腾出更多时间进行其他测量和数据处理工作 。8032 单片机图 2 测量主机硬件框图内部具有三个定时Π计数器 , 其中定时器 T2 当编程设定为常数自动重装工作方式时可以实现 精确的时间测量2 。摆球在光电检测器之间摆动所产生的挡光脉冲作为 8032 单片机外部中 断 INTO 的触发信号 ,在 INTO 中断服务程序中读取 T2 定时值实现单摆振动周期的精确测量 。 单片机具有足够快的工作速度 ,很容易完成测量多个振动周期后取其平均值的工作 。使用者 只需要将摆长 、摆角值以及振动周期的测量次数值通过键盘输入到仪器中 ,启动单摆振动后 单片机即可进行自动测量 ,将测得不同摆长和摆角下的振动周期存入 RAM 芯片中 ,CPU 根据 这些测量数据进行分析计算处理 ,从 L ED 显示器直接输出最终结果 ,对于研究单摆振动周期 与摆长 、摆角间的关系以及重力加速度测量误 差的分析极为方便 。系统监控程序软件采用了 结构化的设计方法 ,将仪器的功能分成若干个模块 ,采 用 单 片 机 高 级 语 言 C51 编 写 程 序3 ,C51 是 一 种 专 为 8051 单 片 机 设 计 的 高 效 率 C语言编译器 ,C 语言本身是一种函数式语言 ,很 容易实现模块化编程 ,不仅能够直接操作机器·24 ·硬件接口 ,而且可以很方便编写各种数学运算程序 。C51 编译器提供多种标准库函数 , 其中 浮点运算库特别适合于对实测数据进行各种运算处理 ,C51 编译器还支持直接输入输出操作 , 在汉字操作系统下编写 C51 源程序只需将所需 要的汉字作为字符串数组直接定义在程序代码中 ,通过调用 printif () 库函数可以很方便地实现汉字打印输出 。主要性能指标智能化单摆重力加速度测试系统全部功能 操作通过键盘输入 ,使用直观 、简便 ,测量结果 既可通