摘要：空氣中的聲速隨著溫度的變化而變化。開發(fā)了基于單片機(jī)的聲速隨溫度變化的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用80C196KC的高速輸出和輸入功能，記錄下?lián)P聲器發(fā)出聲波和麥克風(fēng)接受聲波的時(shí)間，并利用二極管作為溫度傳感器測量空氣溫度。利用PC的串口通信功能和Visual Basic的良好界面實(shí)時(shí)測繪出聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線。該曲線與理論曲線非常吻合。該測量系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂。
關(guān)鍵詞：聲速測量；80C196KC單片機(jī)；串口通信；Visual Basic

0 引言
    在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，測量聲速的實(shí)驗(yàn)很多，其中比較常見的就是利用壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲波，并運(yùn)用相位比較法或駐波法測量聲波的波長λ，根據(jù)v=λf計(jì)算出聲速，其中，f是聲源振動(dòng)頻率。但是聲速是隨溫度變化的，該裝置難以實(shí)時(shí)測量隨溫度變化的聲速。因此實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了基于單片機(jī)的聲速隨溫度變化的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用最簡單直觀的脈沖法，即通過直接測量聲波傳播一定距離l所需的時(shí)間t，求得聲速v=l／t。該系統(tǒng)由80C196KC單片機(jī)、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)模塊、電阻絲加熱模塊、溫度采集模塊、以及單片機(jī)與PC串口通信模塊組成。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測繪出聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線，與理論曲線吻合得非常好。該系統(tǒng)現(xiàn)在已用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既響應(yīng)了國家要求大力發(fā)展“卓越工程師教育”的號(hào)召，又培養(yǎng)了學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)技能，還培養(yǎng)了學(xué)生初步的電子應(yīng)用能力和電路設(shè)計(jì)能力，也讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)有了初步的認(rèn)識(shí)，在一定程度上提高了學(xué)生的就業(yè)能力。

1 系統(tǒng)框架圖
    本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為四個(gè)模塊，如圖1所示。第一個(gè)模塊完成溫度采集功能，用到的溫度傳感器是最基礎(chǔ)的電子元件二極管。二極管的正向電壓隨著溫度的變化而變化，80C196KC單片機(jī)采集到二極管的正向電壓信號(hào)，從而反映出溫度的變化；第二個(gè)模塊是揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，聲波經(jīng)過揚(yáng)聲器發(fā)出后，被反射片反射回來，麥克風(fēng)接收到聲波后，引發(fā)單片機(jī)的高速輸入中斷，兩者的時(shí)間差由單片機(jī)系統(tǒng)記錄；第三個(gè)模塊完成單片機(jī)與PC的串口通信功能。PC采集到溫度和聲速數(shù)據(jù)后，利用Visual Basic的良好界面，作圖實(shí)時(shí)顯示聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線；第四個(gè)模塊是均勻纏繞電阻絲的玻璃管。給電阻絲加上電壓，電阻絲發(fā)熱，管內(nèi)的空氣溫度就逐漸升高。第一個(gè)模塊的二極管就放置在玻璃管內(nèi)的兩側(cè)。第二個(gè)模塊的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)放置在管內(nèi)左側(cè)，而聲波反射片則放置管內(nèi)右側(cè)?？梢詼y量出揚(yáng)聲器到反射片的距離。

1．1 溫度采集模塊
    為了加深學(xué)生對(duì)電子元器件的認(rèn)識(shí)和培養(yǎng)電子電路的設(shè)計(jì)能力，沒有用到集成的溫度傳感器，而是采用最基礎(chǔ)的二極管。二極管是溫度的敏感器件，溫度的變化對(duì)其伏安特性的影響主要表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，其正向特性曲線左移，即正向電壓減小。一般在室溫附近，溫度每升高1℃，其正向壓降減小2～2．5 mV。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將二極管分別浸入冰水混合物和沸水中進(jìn)行校正。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物的溫度為0℃，沸水溫度為100℃。當(dāng)二極管浸入到冰水混合物進(jìn)行校正時(shí)，測得輸送到P0．4端的模擬電壓為0．88 V，因此R1取22 kΩ，R2取4．7 kΩ。第一個(gè)LM324采用射級(jí)跟隨器的形式，這樣當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，能夠確保A點(diǎn)電壓穩(wěn)定在0．88 V。特別地，二極管D1的正負(fù)兩端分別連接到運(yùn)算放大器的輸出端和輸入負(fù)端。實(shí)踐證明，這種接法能夠較好地保證二極管兩端電壓不容易受到外界環(huán)境的干擾。為了如實(shí)反映溫度的變化，將二極管D2和D1放置在玻璃管的管內(nèi)兩側(cè)。D2和D1的電路完全相同。最后，這兩個(gè)經(jīng)二級(jí)放大后的模擬信號(hào)分別送入單片機(jī)的P0．4和P0．5。計(jì)算時(shí)，取這兩個(gè)信號(hào)的平均值。該模塊電路如圖2所示。
1．2 揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)模塊
    80C196KC高速輸出端HSO．0定期發(fā)出脈沖，通過HSO_TIME寄存器讀取這一事件的時(shí)刻T1。該脈沖通過兩個(gè)三極管放大后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器SK發(fā)出聲波，該聲波運(yùn)行到玻璃管的另一端后，被反射片反射回來，麥克風(fēng)MK接收到反射回來的聲波后，通過高輸入阻抗運(yùn)算放大器CA3140，將聲音的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。HSI．0端接收到較大的電壓信號(hào)后，產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，通過HSI_STATU寄存器和HSI_TIME寄存器讀取該事件發(fā)生的時(shí)刻T2。這兩個(gè)事件的時(shí)間差就是聲波的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)采用12 MHz晶振時(shí)，HSI可以在無需CPU干預(yù)的情況下，以2μs的分辨率識(shí)別從輸入引腳輸入的事件，因此可以滿足實(shí)驗(yàn)要求的精度。B點(diǎn)可以通過外觸發(fā)接入到示波器，通過示波器觀察脈沖信號(hào)。LM311是電壓比較器，通過調(diào)節(jié)合適的電壓，對(duì)脈沖進(jìn)行濾波整形。圖3為揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)及其電路。

1．3 PC串口通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集
    由于單片機(jī)輸入、輸出的邏輯電平為TTL電平，“0”≤0．5 V，“1”≥2．4 V；而PC配置的RS 232C標(biāo)準(zhǔn)接口邏輯電平為“0”=+12 V，“1”=-12 V，所以它們之間通信需要通過MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

    Visual Basic的MSComm通信控件，只需要用戶編寫少量的程序代碼即可完成通信軟件的開發(fā)過程。MSComm控件是Microsoft公司提供的串行通信Activx控件，該控件通過串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。本實(shí)驗(yàn)采用了事件驅(qū)動(dòng)方法，也就是利用OnComm事件，每當(dāng)串口接收到左側(cè)溫度、右側(cè)溫度以及速度數(shù)據(jù)時(shí)，PC就將這13個(gè)字節(jié)讀取出來。采用這種方法，不但能偵測并處理通信時(shí)間和錯(cuò)誤，而且程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高。
   

2 基于Visual Basic的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和圖形界面
    就空氣介質(zhì)而言，聲波在空氣中的傳播速度與其自身頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，影響聲速的主要因素是溫度，理論上有：
   
    式中：v0=331．45 m／s，是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燥空氣中的聲速；T0=273．15 K；t為測量時(shí)空氣的攝氏溫度。利用Visual Basic的圖形功能將實(shí)時(shí)采集到的溫度和聲速數(shù)據(jù)描點(diǎn)成像，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為聲速，如圖5所示。

    將實(shí)驗(yàn)得到的曲線和理論曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電阻絲兩端電壓緩慢變化時(shí)，實(shí)際曲線和理論曲線非常吻合，而當(dāng)電壓急劇變化時(shí)，實(shí)際曲線和理論曲線分離較遠(yuǎn)。這是因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，當(dāng)電壓變化時(shí)，要經(jīng)過較長的時(shí)間玻璃管內(nèi)部的空氣分子熱運(yùn)動(dòng)才能達(dá)到平衡，此時(shí)二極管測得的溫度才能比較接近實(shí)際溫度。

3 結(jié)語
    實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的聲速隨溫度變化的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用最簡單直觀的脈沖法，能夠比較精確地實(shí)時(shí)顯示聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線，與理論曲線非常吻合。該系統(tǒng)已經(jīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂，經(jīng)過一年來的實(shí)踐表明，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課適當(dāng)采用單片機(jī)技術(shù)，不但能夠提高學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，而且能夠培養(yǎng)他們初步的電子應(yīng)用和電路設(shè)計(jì)能力，并為后續(xù)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。