基于單片機(jī)的聲速隨溫度變化測量系統(tǒng)

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是聲源振動頻率。但是聲速是隨溫度變化的，該裝置難以實(shí)時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)生對單片機(jī)有了初步的認(rèn)識，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(jī)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(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，兩者的時間差由單片機(jī)系統(tǒng)記錄；第三個模塊完成單片機(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(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)。可以測量出揚(yáng)聲器到反射片的距離。