智能化单摆测重力加速度实验仪

智能化单摆测重力加速度实验仪
尹学爱;刘妮
【摘要】传统的单摆测重力加速度实验操作过程中存在误差大、操作繁杂、读数误差大和时间长等问题。

利用智能化单摆测重力加速度实验仪，可以实现数据的自动计数、自动计时、自动计算并显示结果，有利于研究重力加速度大小与摆球摆动次数、摆长、摆角的关系。

该文利用单片机智能化操作，提高了测量精度，使传统单摆测量重力加速度的方法得到了较大改进，简化了实验过程，同时使实验结果更加准确。

%The traditional experiment of measurement gravity acceleration using the simple pendulum has many problems such as large
error,complicated operation,large reading error and long time during the operation process.By using intelligent simple pendulum instrument to measure acceleration of gravity,we can realize automatic
counting,automatic timing,automatic calculation and display of the results.It is helpful to study the relationship between the acceleration of gravity and the number of pendulum swing,pendulum length and swing angle.In this paper,the single -chip intelligent operation is used to improve the measurement accuracy,make the ac-celeration of traditional method to measure the gravity acceleration with simple pendulum be greatly improved,and simplify the experi-mental process while making the experimental results more accurate.
【期刊名称】《实验科学与技术》
【年(卷),期】2016(014)006
【总页数】3页(P82-84)
【关键词】智能;单摆;重力加速度;单片机
【作者】尹学爱;刘妮
【作者单位】滨州学院光电工程系，山东滨州 256603;滨州学院光电工程系，山东滨州 256603
【正文语种】中文
【中图分类】O4-39;O321
单摆实验是中学物理实验中最基本的力学实验，利用单摆周期公式，在测得周期T 和摆长l的条件下，可以求得重力加速度g。

在传统的测量方法中，用秒表计时，测得多个周期的总时间t，再求平均周期T［1－4］；该测试方法存在不足之处，例如计时不准，周期个数容易记错，在实验过程中会产生摆锥而使计数出现较大误差［5－7］。

利用单片机进行智能化操作，通过增加光电门传感器和单片机控制系统实现了自动计数、计时和重力加速度换算的功能，从而实现了重力加速度的智能化和高精度测量［8］。

改进的实验仪器采用STC公司的89C52单片机为控制核心，克服了传统单摆测重力加速度仪器计算复杂、读数误差大的缺点，结构紧凑简单，测量简洁快速，操作方便，测量结果精度较高。

利用128×64液晶显示屏和内置的单片机计算程序直接显示输出结果，使实验过程简化，实验结果更加精准。

为了防止在摆动过程中产生摆锥，造成单摆周期测量的不准确，采用电磁铁作为吸附装置，将小球吸附到电磁铁上，调整好位置，断电后使小球做单摆运动。

在实验仪器架上安装水平仪，使仪器保持在水平的情况下进行试验，减少了因仪器不水平而造成的误差。

单片机系统内部程序采用筛选程序，将实验过程中误差较大的实验
数据直接筛除，将可利用的数据进行计算，直接输出计算结果，显示到液晶显示屏上［9］。

智能单摆实验仪由STC89C52单片机、光电门检测、12864液晶显示屏和电源四
部分组成。

2.1 主机部分
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS－51内核，但做了
很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

其内部带有EEPROM，用户的程序可以在线直接写入单片机内部的程序存储器，具有程序存储空间和数据空间大、内部自带看门狗、可在线编程、3个定时器、指令与C51完全兼容等诸
多优点，为今后实验仪的功能扩展留有较大余地。

2.2 光电门检测
光电计数器采用光电传感器，利用光学原理实现对物件的数目统计。

光电传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器，利用其计数，可以准确迅速地记录试验数据，同时将信号输送到单片机上，利用单片机处理数据。

2.3 电源部分
电源采用交流220 V市电，经变压、整流、滤波、稳压后得到＋5 V电压，再传
送给STC89C52单片机。

2.4 液晶屏显示电路
显示电路采用带有背光的12864字符液晶模块显示屏，与LED数码显示比较，具有显示信息丰富、界面友好、可视性强的优点。

单片机采用SPI总线形式控制显示屏，其中P1.0、P1.1、P1.2分别为片选、时钟和数据线。

2.5 程序流程
程序流程图如图1所示。

当摆球通过光电传感器时，光电传感器输送一次信号给
单片机，单片机处理后将每次单摆的周期自动排列筛选［10］。

数据若出现较大
的偏差，单片机将自动筛选去除，之后经过程序计算，测试结果显示到LCD屏上。

首先，调节底座水平螺帽，使仪器上的水平仪中气泡处在中间位置，保证仪器处在水平位置；其次，打开仪器开关，将摆球吸附到电磁铁上，调整好位置，保证电磁铁断电时摆球落下做单摆运动，并且保证偏转角度不超过15°；之后，按下电磁开关，使电磁铁断电，释放小球；最后，仪器自动处理数据，显示小球摆动次数以及摆动时间，经过单片机处理自动计算出重力加速度g，并显示在显示屏上。

实验摆角θ＝5°，全振动次数取n＝50次，摆长l＝60.00 cm。

实验地点纬度θ＝40.177 7°，实验地点重力加速度理论值g＝9.801 95 N／kg。

实验结果分别如表1和表2所示。

由表2数据可计算出，g＝9.815 04 N／kg，绝对误差Δg＝0.013 28 N／kg，
相对误差Δg／g＝0.135 4。

改进后的仪器操作方便、测量准确、结果显示直观；同时，不需改造原来单摆实验仪的整体结构，不仅简化了复杂的实验过程，还能精确地计算出实验的结果，使繁琐的计算过程简化。

【相关文献】
［1］阮建富.基于回振法的超声波传播时间测量方法研究［D］.杭州：浙江大学，2006.
［2］陈国杰.智能单摆测量仪的研制［J］.佛山科学技术学院学报（自然科学版），2001，19（1）：28－31.
［3］黎卿.扭秤周期法测G实验中的系统误差研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.
［4］张冠芬.单摆智能化测量重力加速度实验的研究［J］.菏泽学院学报，2012，34（2）：50－55.
［5］林抒，龚镇雄.普通物理实验［M］.北京：人民教育出版社，1981.
［6］钱小君.单片机控制的单摆实验系统［J］.物理实验，2009，29（4）：30－33.
［7］闫文林，张永祥，张冠芬.智能化多功能物理量测量仪［J］.物理实验，2013，33（12）：9
－12.
［8］朱华，李翠云，周小明，等.智能型单摆测量仪的研制［J］.物理实验，2003，23（12）：20－22.
［9］韩玉祥.多功能汽车保护仪的设计与实现［D］.大庆：大庆石油学院，2006.
［10］王殿学，鞠衍清.新型智能单摆实验仪的研制［J］.辽东学院学报（自然科学版），2007，14（2）：110－113.。