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)出聲波和麥克風接受聲波的時間，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的良好界面實時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)應用于大學物理實驗課堂。
關(guān)鍵詞：聲速測量；80C196KC單片機；串口通信；Visual Basic

0 引言
    在大學物理實驗中，測量聲速的實驗很多，其中比較常見的就是利用壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲波，并運用相位比較法或駐波法測量聲波的波長λ，根據(jù)v=λf計算出聲速，其中，f是聲源振動頻率。但是聲速是隨溫度變化的，該裝置難以實時測量隨溫度變化的聲速。因此實驗室開發(fā)了基于單片機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所需的時間t，求得聲速v=l／t。該系統(tǒng)由80C196KC單片機、揚聲器和麥克風模塊、電阻絲加熱模塊、溫度采集模塊、以及單片機與PC串口通信模塊組成。該系統(tǒng)能實時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)在已用于大學物理實驗教學中，既響應了國家要求大力發(fā)展“卓越工程師教育”的號召，又培養(yǎng)了學生的物理實驗技能，還培養(yǎng)了學生初步的電子應用能力和電路設(shè)計能力，也讓學生對單片機有了初步的認識，在一定程度上提高了學生的就業(yè)能力。

1 系統(tǒng)框架圖
    本實驗系統(tǒng)分為四個模塊，如圖1所示。第一個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單片機采集到二極管的正向電壓信號，從而反映出溫度的變化；第二個模塊是揚聲器和麥克風，聲波經(jīng)過揚聲器發(fā)出后，被反射片反射回來，麥克風接收到聲波后，引發(fā)單片機的高速輸入中斷，兩者的時間差由單片機系統(tǒng)記錄；第三個模塊完成單片機與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，作圖實時顯示聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線；第四個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。第一個模塊的二極管就放置在玻璃管內(nèi)的兩側(cè)。第二個模塊的揚聲器和麥克風放置在管內(nèi)左側(cè)，而聲波反射片則放置管內(nèi)右側(cè)。可以測量出揚聲器到反射片的距離。

1．1 溫度采集模塊
    為了加深學生對電子元器件的認識和培養(yǎng)電子電路的設(shè)計能力，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)計系統(tǒng)時，將二極管分別浸入冰水混合物和沸水中進行校正。在一個標準大氣壓下，冰水混合物的溫度為0℃，沸水溫度為100℃。當二極管浸入到冰水混合物進行校正時，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LM324采用射級跟隨器的形式，這樣當環(huán)境溫度為0℃時，能夠確保A點電壓穩(wěn)定在0．88 V。特別地，二極管D1的正負兩端分別連接到運算放大器的輸出端和輸入負端。實踐證明，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，這兩個經(jīng)二級放大后的模擬信號分別送入單片機的P0．4和P0．5。計算時，取這兩個信號的平均值。該模塊電路如圖2所示。
1．2 揚聲器和麥克風模塊
    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刻T1。該脈沖通過兩個三極管放大后，驅(qū)動揚聲器SK發(fā)出聲波，該聲波運行到玻璃管的另一端后，被反射片反射回來，麥克風MK接收到反射回來的聲波后，通過高輸入阻抗運算放大器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后，產(chǎn)生一個外部中斷，通過HSI_STATU寄存器和HSI_TIME寄存器讀取該事件發(fā)生的時刻T2。這兩個事件的時間差就是聲波的運行時間。當系統(tǒng)采用12 MHz晶振時，HSI可以在無需CPU干預的情況下，以2μs的分辨率識別從輸入引腳輸入的事件，因此可以滿足實驗要求的精度。B點可以通過外觸發(fā)接入到示波器，通過示波器觀察脈沖信號。LM311是電壓比較器，通過調(diào)節(jié)合適的電壓，對脈沖進行濾波整形。圖3為揚聲器和麥克風及其電路。

1．3 PC串口通信和實時數(shù)據(jù)采集
    由于單片機輸入、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標準接口邏輯電平為“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)，為應用程序提供串行通信功能。本實驗采用了事件驅(qū)動方法，也就是利用OnComm事件，每當串口接收到左側(cè)溫度、右側(cè)溫度以及速度數(shù)據(jù)時，PC就將這13個字節(jié)讀取出來。采用這種方法，不但能偵測并處理通信時間和錯誤，而且程序響應及時，可靠性高。
   

2 基于Visual Basic的實時數(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，是標準狀態(tài)下干燥空氣中的聲速；T0=273．15 K；t為測量時空氣的攝氏溫度。利用Visual Basic的圖形功能將實時采集到的溫度和聲速數(shù)據(jù)描點成像，橫坐標為溫度，縱坐標為聲速，如圖5所示。

    將實驗得到的曲線和理論曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)當電阻絲兩端電壓緩慢變化時，實際曲線和理論曲線非常吻合，而當電壓急劇變化時，實際曲線和理論曲線分離較遠。這是因為空氣是熱的不良導體，當電壓變化時，要經(jīng)過較長的時間玻璃管內(nèi)部的空氣分子熱運動才能達到平衡，此時二極管測得的溫度才能比較接近實際溫度。

3 結(jié)語
    實驗室自行設(shè)計了基于單片機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，能夠比較精確地實時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)用于大學物理實驗課堂，經(jīng)過一年來的實踐表明，在大學物理實驗課適當采用單片機技術(shù)，不但能夠提高學生對大學物理實驗的認識，而且能夠培養(yǎng)他們初步的電子應用和電路設(shè)計能力，并為后續(xù)的專業(yè)課的學習打下良好的基礎(chǔ)。