數字化實驗系統方法物理論文范文

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摘要：數字化物理實驗系統實現的關鍵是數據采集器的設計，它是整個系統實現的關鍵因素。分析數據采集器設計的重點問題，并配有實例說明。

關鍵詞：物理實驗系統；數據采集器；單片機應用

1引言

隨著科技的發展各種傳感器、集成電路、微機技術的出現，不斷改變著我們的生活，同時也促進我們改變原有的教學方式——數字化教學。它采用多種傳感器測量不同的物理量，測量到的數據通過數據采集器進行數據轉換和數據上傳，同時配套的計算機實驗軟件實現數據記錄、數據圖形顯示和實驗結果分析，它比傳統的物理實驗儀更生動、更形象，更科學。

2數字化實驗系統的實現

2.1系統組成

數字化物理試驗系統（DigitalExperimentSystem）將傳感器技術和微機技術相結合而形成的實驗系統。整個數字化試驗系統采用模塊化的設計，它由計算機、數據采集器、傳感器、附件等4個部件組成，系統框圖如圖1。數字化試驗系統通過數據采集器接收一個或者多個傳感器配套組合成我們物理實驗中所需要的實驗驗證環節，如牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律、機械能守恒定律、向心力實驗、簡諧振動、伏安特性、磁感應強度、磁通量變化等實驗，幾乎涵蓋了整個基礎物理的各個主要實驗內容。數字化物理試驗系統主要部件介紹如下所述。（1）計算機：計算機通過串口與數據采集器通訊，通過表格，曲線，儀表等形式表現出來，直觀地讓用戶了解外部信號的大小，進而分析出其中的規律。軟件提供實驗過程的保存、重放、分析等功能。用戶通過計算機來控制整個實驗過程。（2）數據采集器：數據采集器采集傳感器輸出的電壓信號或脈沖信號信號，將其轉換成數字信號通過串口發送到計算機。實現系統的控制、傳感器識別、數據信號采集并與PC機通信。（3）傳感器：應用各類傳感器例如壓強傳感器，力傳感器，聲傳感器，磁傳感器、溫度傳感器，紅外發射和接收傳感器，以及運放和比較電路來實現壓強、力、聲、溫度、磁、位移收發、電壓、電流、微電流、光電門等信號的采集，然后轉換成電壓或者脈沖信號的傳輸至數據采集器。并與數據采集器通信完成各個傳感器的識別。（4）附件：在做實驗時提供一些輔助工作，如支架、軌道、模型車、音叉等。

2.2關鍵設計

根據上述對各功能模塊的描述，物理實驗系統的關鍵是數據采集器，它在整個系統中類似于人的“大腦”，它需完成系統的控制、傳感器通道的識別、各類數據信號采集（電壓量信號，光電脈沖信號）和與計算機之間的通信，起到了承上啟下的過渡作用，是個不可缺少的重要環節。它的系統組成框圖如圖2所示。如果說數據采集器是物理實驗系統中的“大腦”，那單片機是數據采集器中的“大腦”。數據采集器需要AD轉換器完成電壓量信號的采樣，Flash用于緩存采樣的數據，定時器的捕獲功能完成脈沖信號的采集，2路串口分別完成于傳感器和計算機之間的通訊。因此需要選擇一個功能強大的單片機（MCU）是關鍵。根據篩選單片機選用了TI公司的16位單片機MSP430F149。單片機MSP430F149片內集成了60kB程序Flash、256B信息Flash、2kBRAM；8通道12位AD轉換器；1個模擬量比較器；3個16位定時器，看門狗定時器，兩路串口（兼容UART、SPI）；48個雙向I/O口。我們在設計數據傳感器時就只需找出關鍵因素自上而下來解決，數據傳感器就有接入傳感器判別、數據采集、數據傳送等主要問題，如圖3所示。（1）通道的判別。數字試驗系統中有許多傳感器接入，如何正確判別傳感器有沒有接入數據采集器，以及傳感器類型判別是關鍵。設計中最簡單的方法就是直接應用MCU的P1口，通過電平的變化來確定傳感器的接入。無傳感器接入時上拉為高電平，傳感器接入后電平被拉低。（2）電壓量采集。數字化物理試驗系統中壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、壓強傳感器、磁傳感器等最后輸出至數據采集器都是以電壓量的形式輸出，所以電壓量信號采集是一個比較重要的采集。它的準確性直接關系到很多物理試驗的完成。數據采集器的電壓量信號通過模擬光偶隔離后連接到單片機自帶的AD轉換器，模擬光偶由1片HCNR200和2片運放OP27共同組成。（3）光電脈沖信號采集。物理試驗中的位移傳感器，光電門傳感器是一系列的脈沖信號。這就需要應用到單片機中定時器B的捕獲功能。所謂捕獲功能就是利用外部信號的上升沿、下降沿或者上升下降沿觸發來測量外部或內部事件。數據采集器的通道1～4分別對應于單片機中的TB3～TB0，并同時設置捕獲上升沿和下降沿。上升沿中斷時保存一次捕獲值，下降沿中斷時保存捕獲值。下降沿與上升沿的值相減，從而求得信號的脈寬。（5）數據傳輸。數字試驗系統中各個傳感器傳送到數據各有不同，例如應用到位移傳感器的實驗需要一個連續的數據信號數據量大，力傳感器進行牛頓第三定律時的數據也需要一個連續信號，因此根據實驗不同，將傳輸的數據分為長幀、短幀a和短幀b共3種類型。根據實驗類型，分為6種情況：長幀（位移）、長幀（光電門）、長幀（電壓量）、短幀a（電壓量）、短幀b（電壓量）、混合型（向心力實驗）長幀數據作為通用數據傳輸，短幀a和短幀b用于專用型實驗傳輸設置，而它們區別在于短幀b是連續的采樣數據；短幀a為非連續采樣。數據采集器的基本功能：系統的控制、傳感器通道的識別、各類數據信號采集（電壓量信號，光電脈沖信號）和與計算機之間的通信都實現了。

3應用實例

通過幾個簡單的實驗來說明一下數字試驗系統的實現情況，同時也讓大家了解它的有趣之處。

3.1實驗1牛頓第三定律實驗

以物理實驗中最基本的牛頓第三定律為例。牛頓第三定律：兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一直線上[1]。即F＝-F。這是一個比較好理解的實驗，我們應用了計算機，數據采集器和2個力傳感器。通過兩個力傳感器的互拉，實現這個實驗，如圖4所示。（1）可靠的通道識別。在數據采集器簡介中，通道識別通過看門狗定時器監測P1口狀態，若相應管腳為低電平說明該通道有傳感器接入。但是單純的判別電平變化有時還會造成誤判問題，如何做到可靠的通道識別。解決方法是采用軟件去抖動的方法，先設置看門狗定時器的中斷間隔為4ms，每4次中斷（16ms）采樣一次，采樣到傳感器通道狀態改變后開始計數，若能計數到10則說明是穩定狀態，判別出通道接入的傳感器。（2）合理的傳感器判斷。主程序檢測到傳感器接入后，數據采集器通過與傳感器串口通信，根據預先設計的通訊規約讀取傳感器類型，讀取完畢后發送狀態至計算機。（3）準確的數據交互。數據采集器根據實驗類型選擇發送從傳感器采集到的電壓量信號數據。然而完成準確的數據傳輸，需要準確的數據采集。數據采集：本實驗中力傳感器輸入信號范圍在-20～+20N對應輸出電壓量信號為0～2.5V。在不接任何東西的情況下，輸出電壓為1.25V。數據采集器不僅為傳感器輸入電源，而且需要處理數字量信號。如果模擬信號和數字信號混在一起，沒進行隔離，那對于接收到的數據來說這個災難。我們選用高線性模擬光電耦合器HCNR200，它有良好的穩定性和線性度可以幫助我們實現準確的數據傳輸。初級（模擬部分）包括一片運放OP27和光耦HCNR200中的LED、光敏管PD1；次級（數字部分）包括HCNR200中的光敏管PD2和另一片運放OP27（圖5）。因此，經過運放驅動HCNR200的LED，LED產生光信號后同時驅動光敏管PD1、PD2產生電流。PD1構成初級運放的負反饋并自動調整其輸出電壓，使LED上的光強達到穩定平衡狀態，從而使PD2上產生穩定的電流。PD2的電流經次級運放還原為電壓信號，其輸入輸出關系為式（1）。Vout＝Vin×(R14＋RV1)/R11（1）通過調整電位器RV1可以得到希望的比例關系。這樣既隔離數據采集器與傳感器的收發信號，又將不同電壓電平的進行轉換，具體如表1所示。（4）形象的數據展示。最后計算機將數據采集器接收到的數據以圖形的形式呈現處理，如圖6所示，紅線和藍線分別表示作用力和反作用力之間的關系方向相反大小相同。同時也可以實現數據保存，數據截圖，數據回放等功能。同時也對超量程警告提醒，有利于保護力傳感器。

3.2實驗2動能定理

動能定理：合外力對物體所做的功等于物體動能的增量。物體所做的功：W＝F×S。物體動能的增量：ΔE＝½×mv02－½×mv12。即W＝ΔEk。光電門傳感器的原理：當擋光片沒有經過光電門時，光電門信號時導通的，當擋光片經過光電門時，光電門信號是斷開的。這樣就形成這樣一個波形，如圖7波形所示，遮擋時間不同形成的波形。這樣記錄光被遮擋的時間間隔Δt。而我們已知擋光片的寬度ΔS，這樣就可求出極短時間內的平均速度，也即測得瞬時速度Δt＝ΔS/Δt。其次需解決的問題：如何采集光電門的脈沖信號。在前面介紹數據采集器時介紹了用定時器的捕獲功能，但是單片機的定時器A和B都是16位，輸入時鐘為主時鐘8MHz，因此它能計量的脈沖信號寬度最大為：125ns×65535＝8.192ms，這對采集光電門傳感器是遠遠不夠的。為解決這一問題，在測量脈寬時，使用定時器A輔助計數：在定時器B的上升沿中斷對定時器A清零并設立一個計數器計量定時器A的溢出，每溢出一次計數器加一。最后將定時器A的計數結果乘以65536后累加到定時器B的捕獲值得到最終結果，從而解決了光電門信號脈沖采集的問題。在同一個軌道上，用不一樣的擋光片，經過3次實驗得到的數據，如表2所示。當解決了上述問題后，我們就可以構建實驗了，實驗中應用到計算機，數據采集器和光電門傳感器和附件（軌道、小車、擋光片和摩擦塊）。圖8中推動小車（擋光片）沿軌道運動，當小車（擋光片）經過光電門傳感器時，獲得小車的速度，當小車與摩擦塊相碰后推動摩擦塊向前運動。測出摩擦塊的位移s填入數據表格中，最后在計算機軟件界面中出現的數據及圖像如圖9所示。

4結語

現代技術及科技的發展后續會持續帶給我們不同的體驗，各類數字傳感器的出現、各種強大功能集成的單片機和嵌入式芯片的應用[2]，使我們能把各種不可量化的信號數字化，現在嵌入式的應用更能讓我們把設備可以做的更簡潔和小型化。數字物理實驗系統是探索物理知識的工具，而文中介紹的數據采集器的實現也是本人在電子技術和自動控制應用的一次探索，通過自己的一次設計來實現教學中的一次進步，社會的一次發展，我想這就是我們研發人員的目的和意義，也是我們不斷前行的動力所在。

參考文獻

[1]束炳如,何潤偉.高中物理[M].上海:上海科技教育出版社,2007.

[2]胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發[M].北京:北京航空航天出版社,2003.

作者：郁贇 單位：上海埃威航空電子有限公司