单片机在重力加速度测量中的创新应用

滕德虎

（安徽省芜湖机械工程学校 安徽省芜湖市 241200）

自由落体重力加速度测量是中学物理教学中的一个重要实验，也是大学普通物理实验课程中最基本的验证性实验之一，在物理学中占有重要地位。目前，该实验原理是让小球自由下落，通过测量小球下落过程中的上端距离h1、全程距离h2和上端时间t1、全程时间t2，根据导出式g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1)计算重力加速度大小。其测量装置主要有支架、电磁铁、三个光电门、小球、接球盒、铅垂线和电子计时器组成。

这种测量方式需要手工记录测量数据并进行复杂计算，数据管理手段简陋、效率低下。

为了避免以上缺点，可将单片机测量的时间发送到计算机专用软件，自动计算、显示和存储测量结果及相关数据。其数据处理流程如图1所示。

图1：数据处理方框图

1 计时器改装

计时器由光电门数据输入接口电路、单片机数据处理电路、数据输出电路电路构成，用于测量数据的采样、处理与发送。

三个光电门与对应的三路两级开关电路连接，构成数据输入电路。图2 为上端光电门及相应的输入接口电原理图。

图2：上端光电门输入接口电原理图

光路连通时，光电接收管电阻很小，光电门输出高电平，Q11导通、Q12 截止，光路指示灯DS1 熄灭，电路输出高电平。光路切断时，光电接收管电阻很大，光电门输出低电平，Q11 截止、Q12导通，光路指示灯DS1 点亮，电路输出低电平。中间光电门和下端光电门及其接口电路与之相仿。

单片机采用STC89C52 芯片，以厂家数据手册推荐的典型电路构建最小系统。

上、中、下三路输入接口电路将光路信号分别输入到单片机三个控制引脚，以控制单片机内部程序运行。光路连通时，该三个引脚为高电平。当小球下落至上端光电门时，光路断开，对应引脚被置低电平，内部计时器TIMER0 开始计时；当小球下落至中间光电门时，对应引脚被置低电平，程序第一次读出TIMER0 计时值，也就是小球从上端光电门到中间光电门的下落时间；当小球下落至下端光电门时，对应引脚被置低电平，程序第二次读出TIMER0 计时值，也就是小球从上端光电门到下端光电门的下落时间，同时将两次读出的时间数据通过输出接口发送给计算机专用测量软件，并复位单片机内部测量数据，为下一次实验做好准备。其具体程序如下：

输出接口电路采用CH340G 芯片，使用厂家推荐的典型电路实现串口通信。

计时器采用5V 电源，功率约为1W，直接由计算机USB 口供电。

2 测量软件的开发与应用

自由落体重力加速度测量实验专用软件由Visual FoxPro 开发，它是一个无需安装的绿色小软件。其主界面用于测试环境数据输入和测试结果显示，如图3所示。

图3：重力加速度测量主界面

测量时，用户要事先选择实验城市，并输入小球下落的上端高度和全程高度；小球下落后，单击“接收数据”按钮，软件即可自动收集、计算和保存数据，并立即显示测量结果。

为了方便使用，软件提供了数据浏览和管理功能，也可以将测量数据导出到Excel 文件，便于分析、打印。

改进后的测量装置经上千次实验，其计时结果可精确到0.1 毫秒，既有效提高测量精度，同时，利用开发的专用软件自动收集、计算和保存测量数据，避免复杂运算，大大提高工作效率。