2023年基于单片机多谱勒效应实验仪的设计.doc

第１８卷第ｌ期  大  学  物  理  实  验  Ｖ０１．１８ Ｎｏ．１ ２００５年３月出版 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ０Ｆ ＣＯＬＩ点ＧＥ Ｍ盯．２００５ 文章编号：１００７—２９３４〔２００５〕０１—００４１—０３ 基于单片机多谱勒效应实验仪的设计 陈国杰  张潞英  谢嘉宁  周有平 〔佛山大学，佛山，５２８０００〕 摘  要  介绍了用单片机设计多谱勒效应实验仪的电路组成和典型电路，电路简洁， 操作方便，本钱低，教学效果好。 关键词 多谱勒效应；声速测量；放大器；单片机 中豳分类号：０４２ 文献标识码：Ａ 多谱勒效应是大学物理综合性实验项目，实验原理简单，但实验装置不简单，涉及机 械传动、信号放大、光电计时等电路，是光机电一体的实验装置。目前用于多谱勒效应实验 教学的仪器很少，文献［１］介绍了一种声波多谱勒效应综合实验装置，需要数字毫秒计、 信号放大器、数字频率计等仪器，仪器多、本钱高，且电机正反转探制采用传统的继电器和 行程开关电路，寿命短，噪声大，控制不灵活。我们对文献［１］实验装置进行了改良，用单 片机的计数器／定时器做数字毫秒计和频率计，用无触点的固态继电器控制电机正反转， 用集成芯片做放大器，研制了一种声波多谱勒效应实验仪，电路简洁，操作方便，寿命长， 本钱低，教学效果好。 ｌ  实验仪电路组成及工作原理 声波多谱勒效应实验装置见文献［１］，装有反射面的小车通过传动装置沿水平直导轨 往返运动，用扬声器做声源，用话筒做声波接收器。扬声器发出频率固定的声波，声波遇小 车反射面后返回被话筒接收。由于多谱勒效应，反射波将发生频移，频移大小与声源频率 和反射面〔小车〕的速度有关。只要测出小车的速度，就可以求出频移；假设同时测出速度和 频移，就可以求出声速。 图ｌ是多谱勒效应实验仪电路组成。光电门ｌ、光电门２和单片机８９Ｃ５２的定时器Ｔｌ组 成小车的测速计时电路，小车经过光电门１时向８９ｃ５２时ＩＮ哟端发出中断申请，启动Ｔｌ计 时，经过光电门２时向８９Ｃ５２的ＩＮＴｌ端发出中断申请，停止Ｔ１计时，从而测出小车的运动 时间，根据光电门１到光电门２的距离就可求出小车的速度。假设小车反向运动，那么小车经过 光电门２时启动Ｔｌ计时，经过光电门２时停止Ｔ１计时，从而可求出小车反向运动速度。话 筒放大器是将接收的反射声波信号经电压放大后送给８９ｃ５２的计数器．ＩＤ进行计数，用 收稿日期：２００４一１２—１ｌ 　万方数据  ～４１— ８９Ｃ５２的定时器Ｔ２计时，他计时１秒时，ＩＤ的 计数就是反射声波的频率。扬声器放大器是 将信号发生器输出的正弦音频信号进行功率 Ｉ话筒Ｉ Ｔ０  Ｐｏ 放大，然后驱动５Ｗ．１０ｗ扬声器发声。电机 控制继电器和定位行程开关用来控制电机的 正反转，ＬＣＤ显示屏显示光电门计时时间和 话筒信号频率；按键用来启动电机和计时、测 频电路工作。  广————１ Ｉ光电门１卜－—～ Ｉ盯Ｏ Ｐ３６ １厂————］．．．．．．．．．．． 一 Ｉ光电门２卜～ 【盯ｌ Ｐ２０ 日９ｃ昆 单片机 Ｐ２ｌ ２ ２．１  电路设计 信号放大电路  圈ｌ  多谱勒效应实验仪电路组成 图２是扬声器功率放大器。ＬＭｌ８７５是 单片高性能音频放大器，外围电路简单， 最大输出功率３０Ｗ，ｌＫＨｚ时失真仅为 Ｏ．０１５％，最高频率可达７０ＫＨｚ，有交直流 保护、过热保护。 通常ＬＭｌ８７５为双电源供电，为了简 化电源，本实验仪采用＋１２Ｖ单电源供电。 Ｒｌ与Ｒ２对＋１２Ｖ电源分压，为脚提供＋６Ｖ 的偏置电压，那么静态时输出端４脚也为＋ 圈２单电源功搴放大矗 ６Ｖ。图２是输出动态范围近似为６Ｖ的交流功率放大器，放大倍数为：Ａｖ：１＋警。 话筒信号放大器用ＬＭ３５８运放构成，也是单电源供电，电路与图２类似，图略。 ２．２ 电机探制电路 如图３所示，交流电机Ｍ的起停用固态 继电器ＳＳＲ控制，电机的正反转用双刀双掷 继电器控制。电机反转时，８９ｃ５２的Ｐ３６输出 高电平，三极管８５５０截止，ＳＳＲ截止，切断电 机电源；然后８９Ｃ５２的Ｐ３７输出高电平，三极 管８０５０导通，继电器Ｊ动作，使电机电流反 向；最后８９Ｃ５２的Ｐ３６输出低电平，三极管 ８５５０导通，固态继电器ＳＳＲ导通，电机反转。 由于电机反转时先用ＳＳＲ切断电源，再用继 电器使电流反向，ｓＳＲ无触点，通过程序不可 圈３ 电机自动正反转控制电器 调节电机反转的延迟时间，因而寿命长、无干扰。 图３中ｓｗ是行程开关，当小车运动到导轨的右端点时，ｓｗ闭合，８９Ｃ５２的Ｐ２０脚变为 低电平，然后８９Ｃ５２控制电机停转或者反转。行程开关Ｓｗ工作于低压小电流，因而寿命较 长。 　万方一据２— ｌ倍撇广～ Ｉ．．．．．．．．．．．．一 Ｉ扬声器Ｉ ｌ功率放大Ｉ ■Ｌ‘ 数４ ３  软件设计 图４是软件流程图。单片机８９ｃ５２上电复位后。首先设置标志、赋初值、显示初始状态， 然后检测是否有键按下，假设无键按下。等待；假设有键按下， 那么执行按链子程序。 在按“测量〞键后，单片机８９ｃ５２先检测行程开关Ｓｗ 是否接通，假设没有接通，电机驱动小车向右运动，到达导轨 的右端时，行程开关ＳＷ接通，小车停止。导轨的右端作为 每次实验的起点。然后电机驱动小车向左运动，８９ｃ５２测 量小车运动时间和话筒信号频率，当小车经过第二个光电 门后停止。为了测小车反向运动多谱勒效应，电机停留２ 秒后自动反转，小车向右运动，８９Ｃ５２测量时间和频率，直 到右端行程开关ｓｗ接通小车才停止，完成一次测量周 期。测量时间和频率在ＬＣＤ屏上显示。 圈４软件渡程圈 ４  实验结果 实验说明，本多谱勒效应实验仪机械传动平稳，电机控制灵敏．有软硬件保护措施。 ８９Ｃ５２计时准确度±ｌ脚，频率测量误差小于１％，信号放大顺稳定可靠，ＬＣＤ显示清晰。本 实验仪在大学物理实验中使用了半年，教学效果良好。 参  考  文  献 ［１］  陆正兴、王亚伟．声波多谱勒效应综合实验．物理实验，２００２ ＴＨＥ ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ ＤＯＰＰＬＥＲ ＥＦＦＥＣＴ  ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＩＣＲＯＣｏＮＴＲＯＬＬＥＲ Ｃｈｅｎ  Ｇｕｏｊｉｅ  Ｚｈ８ｎｇ Ｌｕｙｉｎｇ  Ｘｉｃ Ｊｉａｌｌｉｎｇ  Ｚｈｏｕ Ｙｏｕｐｉｎｇ 〔Ｆｏｓｈａｎ Ｕｌｌｉｖｅ黯ｉｔｙ，Ｆ∞ｈａｎ．５２８０００〕 Ａｂｓｔ增ｃｔ：Ｔｈｅ ｏｎ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｍＵｅｒ ＆陀ｉｎｔ础ｃｅｄ．Ｔｈｅ Ｄｂｐｐｌｅｒ ｅ＆ｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｎｖｅＩＩｉｅｎｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ， ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅ￡【毛ｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄ叩ｐｌｅｒ硪ｂｃｔ；∞ｕｎｄ 　万方数据 ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅ∞ｕ删ｎｅｎｔ；ａｍｐｌｉｌｉ凹；ｍｉｃｒ∞ｏｎｔｒｏｕｅｒ  一４３— ｃｏｎｆｉｇｌＩｍｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｙｐｊｃａｌ ｃｉ托ｕｊｔｓ“Ｅｂｐｐｌｅｒ ｅ珏色ｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉ鹏ｎｕｍｅｎｔ ｂａ∞ｄ 基于单片机多谱勒效应实验仪的设计 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数： 陈国杰， 张潞英， 谢嘉宁， 周有平， Chen Guojie， Zhang Luying， Xie Jianing， Zhou Youping 佛山大学,佛山,528000 大学物理实验 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE 2023，18(1) 2次 参考文献(1条) 1.陆正兴.王亚伟 声波多普勒效应综合实验[期刊论文]-物理实验 2023(7) 相似文献(0条) 引证文献(2条) 1.陈国杰.谢嘉宁.黄义清.李斌.伍贤栋.周有平 改革大学物理实验教学构建三级双循环教学模式[期刊论文]-实验 室研究与探索 2023(08) 2.陈国杰.谢嘉宁.黄义清.张潞英 构建集约式物理实验开放教学新模式[期刊论文]-实验室研究与探索 2023(04) 本文链接： ://d.g.wanfangdata /Periodical_dxwlsy202302215.aspx 下载时间：2023年1月10日