采用單片機對固體比熱容測量儀器的改進

李曉磊 王學賀

(菏澤醫學?？茖W校計算機教研室 山東 菏澤 274000)

比熱容是指單位質量的物質升高 (或降低) 單位溫度所吸收 (或放出) 的熱量.在大學物理實驗中常采用混合法測量固體比熱容，由于實驗過程中測量的數據比較多，需要多名學生互相配合才能完成實驗，例如在測量溫度變化時，學生甲負責停表計時，學生乙負責讀取溫度計溫度值，學生丙負責記錄實驗數據，由于被測物質在短時間內溫度變化較大，在實驗過程中容易出現人為的時間測量、溫度讀數、記錄數據、配合不當等方面的差錯，進而影響實驗結果[1,2].

圖1 單片機最小系統電路圖

針對于上述實驗中存在的缺陷，筆者利用單片機及傳感器技術對原有實驗進行了改進，采用STC89C52單片機作為主控制器，使用溫度傳感器替代水銀溫度計采集溫度數據，使用壓力傳感器及AD模數轉換器測量物體的質量，利用單片機內部的定時器功能替代停表進行計時，同時可以通過液晶屏幕讀取實驗測量的數據，進而計算出固體的比熱容，相對于傳統實驗儀器，改進后的儀器可以有效地減少人為誤差.

1 硬件設計

硬件部分主要由微控制器模塊、質量測量模塊、溫度測試模塊及液晶顯示和聲光提示模塊，為了實現功能的優化設計，選定方案如下：

1.1 微控制器模塊

STC89C52單片機作為系統的主控制器，其內部集成了微處理器、存儲器及各種輸入、輸出接口.在本方案中，單片機內部的T0計時器實現實驗中各個時間的測量，同時讀取和處理重力傳感器、溫度傳感器采集的數據并進行數據顯示.圖1為單片機最小系統電路圖，主要由電源、晶振電路以及復位電路3部分組成，另外，由于P0口無內置上拉電阻，為高阻態，不能正常輸出高、低電平，因此本系統中P0口接入了10 K的上拉電阻，用作LCD液晶顯示時數據輸出端口[3].

1.2 質量測量模塊

質量測量模塊由壓力傳感器和高精度AD模數轉換器組成.電阻應變式壓力傳感器主要由彈性電阻片組成，當彈性體承受載荷產生變形時，電阻值將增大或減小，產生相應的差動電壓信號.由于電壓值比較小，需要進行電壓放大和模數轉換，本文采用24位高精度HX711 AD數模轉換模塊，其內部集成了AD轉換器芯片、放大電路、穩定電源等電路，使用方便，響應速度快[4].在進行讀取數據時，串口通訊線由管腳 SCK和DT組成，用來輸出數據.編程時，根據使用時序圖進行選擇輸入通道和增益，在本方案中管腳SCK和DT分別連接單片機的P1.0，P1.1 I/0接口，質量測量模塊電路圖如2圖所示.

圖2 質量測量模塊電路圖

1.3 溫度測量模塊

溫度測量模塊由2個單總線型數字溫度傳感器DS18B20組成，其具有微型化、低功耗、高性能等優點,可將溫度轉化成數字信號供處理器處理.與微處理器進行連接時，僅需要單線即可實現與微處理器的雙向通信，既可以傳輸時鐘信號，又可以傳輸數據信號，測量結果輸出數字溫度信號，傳輸數據時加入CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力[5].使用時，外圍電路如圖3所示，本方案中兩個DS18B20溫度傳感器的DQ管腳分別接單片機的P2.6，P2.7 I/0接口使用.

圖3 溫度傳感器外圍電路圖

1.4 液晶顯示與聲光提示模塊

液晶顯示與聲光提示模塊主要由LCD 12864液晶、LED燈和蜂鳴器3部分組成，此模塊電路圖如圖4所示.

圖4 液晶顯示與聲光提示模塊電路圖

LCD 12864液晶可以同時顯示數字型數據和文本型數據，具有較好的信息可讀性.在本設計中，LCD 12864液晶選用并行數據傳輸方式，需將串并行選擇端PSB端口置為高電平，DB0～DB7數據口接單片機P0端口.液晶使能端E必須置為高電平，單片機進行數據、命令的控制與讀寫操作.LED燈和蜂鳴器均為低電平觸發有效，主要用于每次數據測量完畢后的提醒功能，實時記錄數據.

2 軟件設計

在軟件設計方面，主程序采用模塊化結構設計，編程結構清晰，便于程序調試與修改，主要分為測量質量、測量溫度以及數據的顯示與讀取3部分，結合按鍵進行功能選擇和程序執行，主程序流程圖如圖5所示.

圖5 主程序流程圖

3 測量儀器

實驗儀器實物與模型圖如圖6所示，1是量熱器，2是攪拌器電機與開關，3是溫度傳感器電源與數據線，4是LCD12864液晶顯示模塊，5是按鍵模塊，6是壓力傳感器載物板.

(a)

在測量過程中，將物體放在壓力傳感器載物板上，主控制器通過壓力傳感器、AD模數轉換測量物體的質量，如待測物體(金屬塊)、水、量熱器內筒及攪拌器等的質量.置于單片機內部的定時器完成計時功能，防水型溫度傳感器實時地測量實驗中的溫度，上述測量數據均可以實時存儲并顯示在LCD12864液晶顯示模塊上，方便后續實驗數據的整理與計算.

4 結束語

本文采用STC89C52單片機對傳統的固體比熱容測量實驗儀器進行了改進，改進后的儀器能夠有效地降低傳統實驗中存在的人為操作誤差，利用單片機內部計時器功能、重力傳感器以及溫度傳感器實現了對實驗中數據的智能化采集、顯示與存儲，使實驗過程更加準確、高效，此改進不僅能夠用于大學物理實驗，而且為行業內測量固體比熱容提供較好的幫助.