基于单片机的声速随温度变化测量系统

摘要：空气中的声速随着温度的变化而变化。开发了基于单片机的声速随温度变化的测量系统，该系统利用80C196KC的高速输出和输入功能，记录下扬声器发出声波和麦克风接受声波的时间，并利用二极管作为温度传感器测量空气温度。利用PC的串口通信功能和Visual Basic的良好界面实时测绘出声速随温度变化的关系曲线。该曲线与理论曲线非常吻合。该测量系统已经应用于大学物理实验课堂。
关键词：声速测量；80C196KC单片机；串口通信；Visual Basic

0 引言
    在大学物理实验中，测量声速的实验很多，其中比较常见的就是利用压电陶瓷片产生超声波，并运用相位比较法或驻波法测量声波的波长λ，根据v=λf计算出声速，其中，f是声源振动频率。但是声速是随温度变化的，该装置难以实时测量随温度变化的声速。因此实验室开发了基于单片机的声速随温度变化的测量系统，该系统利用最简单直观的脉冲法，即通过直接测量声波传播一定距离l所需的时间t，求得声速v=l／t。该系统由80C196KC单片机、扬声器和麦克风模块、电阻丝加热模块、温度采集模块、以及单片机与PC串口通信模块组成。该系统能实时测绘出声速随温度变化的关系曲线，与理论曲线吻合得非常好。该系统现在已用于大学物理实验教学中，既响应了国家要求大力发展“卓越工程师教育”的号召，又培养了学生的物理实验技能，还培养了学生初步的电子应用能力和电路设计能力，也让学生对单片机有了初步的认识，在一定程度上提高了学生的就业能力。

1 系统框架图
    本实验系统分为四个模块，如图1所示。第一个模块完成温度采集功能，用到的温度传感器是最基础的电子元件二极管。二极管的正向电压随着温度的变化而变化，80C196KC单片机采集到二极管的正向电压信号，从而反映出温度的变化；第二个模块是扬声器和麦克风，声波经过扬声器发出后，被反射片反射回来，麦克风接收到声波后，引发单片机的高速输入中断，两者的时间差由单片机系统记录；第三个模块完成单片机与PC的串口通信功能。PC采集到温度和声速数据后，利用Visual Basic的良好界面，作图实时显示声速随温度变化的关系曲线；第四个模块是均匀缠绕电阻丝的玻璃管。给电阻丝加上电压，电阻丝发热，管内的空气温度就逐渐升高。第一个模块的二极管就放置在玻璃管内的两侧。第二个模块的扬声器和麦克风放置在管内左侧，而声波反射片则放置管内右侧。可以测量出扬声器到反射片的距离。

1．1 温度采集模块
    为了加深学生对电子元器件的认识和培养电子电路的设计能力，没有用到集成的温度传感器，而是采用最基础的二极管。二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向电压减小。一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减小2～2．5 mV。设计系统时，将二极管分别浸入冰水混合物和沸水中进行校正。在一个标准大气压下，冰水混合物的温度为0℃，沸水温度为100℃。当二极管浸入到冰水混合物进行校正时，测得输送到P0．4端的模拟电压为0．88 V，因此R1取22 kΩ，R2取4．7 kΩ。第一个LM324采用射级跟随器的形式，这样当环境温度为0℃时，能够确保A点电压稳定在0．88 V。特别地，二极管D1的正负两端分别连接到运算放大器的输出端和输入负端。实践证明，这种接法能够较好地保证二极管两端电压不容易受到外界环境的干扰。为了如实反映温度的变化，将二极管D2和D1放置在玻璃管的管内两侧。D2和D1的电路完全相同。最后，这两个经二级放大后的模拟信号分别送入单片机的P0．4和P0．5。计算时，取这两个信号的平均值。该模块电路如图2所示。
1．2 扬声器和麦克风模块
    80C196KC高速输出端HSO．0定期发出脉冲，通过HSO_TIME寄存器读取这一事件的时刻T1。该脉冲通过两个三极管放大后，驱动扬声器SK发出声波，该声波运行到玻璃管的另一端后，被反射片反射回来，麦克风MK接收到反射回来的声波后，通过高输入阻抗运算放大器CA3140，将声音的变化转化为电压的变化。HSI．0端接收到较大的电压信号后，产生一个外部中断，通过HSI_STATU寄存器和HSI_TIME寄存器读取该事件发生的时刻T2。这两个事件的时间差就是声波的运行时间。当系统采用12 MHz晶振时，HSI可以在无需CPU干预的情况下，以2μs的分辨率识别从输入引脚输入的事件，因此可以满足实验要求的精度。B点可以通过外触发接入到示波器，通过示波器观察脉冲信号。LM311是电压比较器，通过调节合适的电压，对脉冲进行滤波整形。图3为扬声器和麦克风及其电路。

1．3 PC串口通信和实时数据采集
    由于单片机输入、输出的逻辑电平为TTL电平，“0”≤0．5 V，“1”≥2．4 V；而PC配置的RS 232C标准接口逻辑电平为“0”=+12 V，“1”=-12 V，所以它们之间通信需要通过MAX232芯片进行电平转换，如图4所示。

    Visual Basic的MSComm通信控件，只需要用户编写少量的程序代码即可完成通信软件的开发过程。MSComm控件是Microsoft公司提供的串行通信Activx控件，该控件通过串行口发送和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。本实验采用了事件驱动方法，也就是利用OnComm事件，每当串口接收到左侧温度、右侧温度以及速度数据时，PC就将这13个字节读取出来。采用这种方法，不但能侦测并处理通信时间和错误，而且程序响应及时，可靠性高。
   

2 基于Visual Basic的实时数据采集和图形界面
    就空气介质而言，声波在空气中的传播速度与其自身频率无关，只取决于空气本身的性质，影响声速的主要因素是温度，理论上有：
   
    式中：v0=331．45 m／s，是标准状态下干燥空气中的声速；T0=273．15 K；t为测量时空气的摄氏温度。利用Visual Basic的图形功能将实时采集到的温度和声速数据描点成像，横坐标为温度，纵坐标为声速，如图5所示。

    将实验得到的曲线和理论曲线进行对比，发现当电阻丝两端电压缓慢变化时，实际曲线和理论曲线非常吻合，而当电压急剧变化时，实际曲线和理论曲线分离较远。这是因为空气是热的不良导体，当电压变化时，要经过较长的时间玻璃管内部的空气分子热运动才能达到平衡，此时二极管测得的温度才能比较接近实际温度。

3 结语
    实验室自行设计了基于单片机的声速随温度变化的测量系统，该系统利用最简单直观的脉冲法，能够比较精确地实时显示声速随温度变化的关系曲线，与理论曲线非常吻合。该系统已经用于大学物理实验课堂，经过一年来的实践表明，在大学物理实验课适当采用单片机技术，不但能够提高学生对大学物理实验的认识，而且能够培养他们初步的电子应用和电路设计能力，并为后续的专业课的学习打下良好的基础。