楊桂林

(菏澤學(xué)院蔣震機(jī)電工程學(xué)院，山東菏澤274015)

目前，重力加速度的測量方法主要有單擺法和自由落體法2種方法.用單擺法測量重力加速度時(shí)，要求忽略細(xì)線的質(zhì)量，擺線長遠(yuǎn)大于小球的直徑，把小球看成質(zhì)點(diǎn)，并且小球的擺幅要小于5°;而用自由落體法測量重力加速度時(shí)，小球釋放前是用通電的電磁鐵吸住的，在斷電的瞬間，電磁鐵有剩磁，小球通過光電門時(shí)，往往不是小球的質(zhì)心遮光計(jì)時(shí)，此外，還需要手工計(jì)算，這些因素都會(huì)對重力加速度的測量值產(chǎn)生較大的影響［1－2］.鑒于以上的不足之處，筆者對重力加速度的智能化測量進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和研制了智能重力加速度測量裝置，在設(shè)計(jì)過程中最大程度地降低了舊式測量存在的誤差影響，實(shí)現(xiàn)了比較精確的智能化測量.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 結(jié)構(gòu)示意圖 智能重力加速度測量裝置的結(jié)構(gòu)［1］如圖1所示.支架下端固定在底座上，上端裝有小球釋放裝置，小球放在釋放裝置上的圓孔中，小球的釋放由支撐觸頭的伸出或縮進(jìn)來控制，支撐觸頭的狀態(tài)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置控制.在支架的中間，裝有可移動(dòng)的光電開關(guān)，光電開關(guān)通過導(dǎo)線與電源和單片機(jī)AT89S52相連接.液晶屏、鍵盤、單片機(jī)AT89S52、電源以及報(bào)警裝置等都封裝在一塊，共同組成了一個(gè)功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，另外，該裝置還裝有水平儀和刻度尺.

圖1 智能重力加速度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件設(shè)計(jì) 該智能重力加速度測量裝置主要由電源電路、釋放小球控制電路、AT89S52控制電路、小球檢測電路、顯示器、報(bào)警電路6部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖［1，3］如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 +5 V的電源電路

1.2.1 電源電路 電源電路如圖3所示，主要由9 V的電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路4部分組成.首先220 V的交流電壓經(jīng)9 V的電源變壓器變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后?jīng)過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓給電磁鐵供電，最后通過濾波、穩(wěn)壓電路輸出+5 V的穩(wěn)定電壓，給單片機(jī)AT89S52、液晶屏、光電開關(guān)、報(bào)警電路供電［4］.將該電路中的集成塊LM78L05換成LM7812即可得到+12 V的電源，從而給電機(jī)供電.

圖4 釋放小球的控制電路

1.2.2 釋放小球裝置電路 按下開始按鍵，單片機(jī)AT89S52即發(fā)出信號使繼電器吸合，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抽動(dòng)拉桿釋放小球，其電路［4］如圖4所示.在該電路中，選用了反應(yīng)速度快、精度高的電機(jī).

1.2.3 AT89S52控制電路 AT89S52控制電路由單片機(jī)AT89S52及其外圍電路組成，其電路［4－5］如圖5所示.

1.2.4 小球檢測電路 小球在自由下落的過程中，小球的底部經(jīng)過光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)開始工作，其輸出端輸出低電平，并送入單片機(jī)，停止計(jì)時(shí).其電路［4］如圖6所示.

圖5 AT89S52控制電路

圖6 小球檢測電路

圖7 報(bào)警電路

1.2.5 報(bào)警電路 當(dāng)小球自由下落時(shí)，若被光電開關(guān)檢測到，則報(bào)警電路工作，并發(fā)出數(shù)據(jù)有效的信號，其電路［4］如圖7所示.

另外，選用SMC1602液晶屏以顯示相應(yīng)的信息.

1.3 軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的主程序流程圖［5］如圖8所示，首先按要求調(diào)整好所下落的距離，并通過鍵盤輸入單片機(jī)，按開始鍵進(jìn)行一次測量，然后重新調(diào)整下落距離并輸入單片機(jī)，啟動(dòng)第2次測量，直到完成5次測量，最后單片機(jī)自動(dòng)完成所有的計(jì)算，并將結(jié)果顯示在顯示器上.

2 實(shí)驗(yàn)原理

小球自釋放處自由下落到光電開關(guān)的距離為h，小球下落距離h所用的時(shí)間為t，由自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的公式h=得 g=.

圖8 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟［6］

1)調(diào)節(jié)支架底座上的水平調(diào)節(jié)旋鈕，使水平儀中的氣泡處在中間位置，從而使支架處于垂直狀態(tài).

2)將小球放在釋放裝置的圓孔內(nèi)，調(diào)節(jié)光電開關(guān)支架的位置.

3)接通電源，輸入小球自由下落的距離h.

4)打開小球釋放按鈕，小球自由下落，液晶屏顯示此次測量的重力加速度數(shù)值.

5)重復(fù)步驟2)、3)、4)，測量5 次.

6)由單片機(jī)AT89S52完成較精確的計(jì)時(shí)、計(jì)算、存儲以及數(shù)據(jù)處理等一系列工作，按相應(yīng)的功能按鈕，從顯示器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)山東省菏澤市所處位置可知(北緯 35°11'、東經(jīng) 115°36'、海拔52.5m［7］)，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?g0=9.785 m·s－2［8］，用普通重力加速度測量裝置、智能重力加速度測量裝置測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1和2所示.

表1 普通重力加速度測量裝置測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 智能重力加速度測量裝置測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，用智能加速度測量裝置測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度較高，精度提高了約13倍，而且相對誤差都在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的誤差范圍之內(nèi).

5 小結(jié)

反復(fù)試驗(yàn)證明:該智能重力加速度測量裝置不僅能滿足實(shí)驗(yàn)的要求，而且實(shí)現(xiàn)了重力加速度的智能化測量，提高了測量精度，極大地改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)效率.該儀器結(jié)構(gòu)合理、操作方便、測量誤差小，因此，智能重力加速度測量裝置在測量重力加速度的實(shí)驗(yàn)中有著廣泛的應(yīng)用和良好的推廣前景.

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