基于單片機的聲速隨溫度變化測量系統

摘要：空氣中的聲速隨著(zhù)溫度的變化而變化。開(kāi)發(fā)了基于單片機的聲速隨溫度變化的測量系統，該系統利用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(xiàn)。該曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)非常吻合。該測量系統已經(jīng)應用于大學(xué)物理實(shí)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(xué)物理實(shí)驗中，測量聲速的實(shí)驗很多，其中比較常見(jiàn)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(cháng)λ，根據v=λf計算出聲速，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)驗室開(kāi)發(fā)了基于單片機的聲速隨溫度變化的測量系統，該系統利用最簡(jiǎn)單直觀(guān)的脈沖法，即通過(guò)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。該系統由80C196KC單片機、揚聲器和麥克風(fēng)模塊、電阻絲加熱模塊、溫度采集模塊、以及單片機與PC串口通信模塊組成。該系統能實(shí)時(shí)測繪出聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)，與理論曲線(xiàn)吻合得非常好。該系統現在已用于大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)中，既響應了國家要求大力發(fā)展“卓越工程師教育”的號召，又培養了學(xué)生的物理實(shí)驗技能，還培養了學(xué)生初步的電子應用能力和電路設計能力，也讓學(xué)生對單片機有了初步的認識，在一定程度上提高了學(xué)生的就業(yè)能力。

1 系統框架圖
本實(shí)驗系統分為四個(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的電子元件二極管。二極管的正向電壓隨著(zhù)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(gè)模塊是揚聲器和麥克風(fēng)，聲波經(jīng)過(guò)揚聲器發(fā)出后，被反射片反射回來(lái)，麥克風(fēng)接收到聲波后，引發(fā)單片機的高速輸入中斷，兩者的時(shí)間差由單片機系統記錄；第三個(gè)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據后，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(xiàn)；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的兩側。第二個(gè)模塊的揚聲器和麥克風(fēng)放置在管內左側，而聲波反射片則放置管內右側?？梢詼y量出揚聲器到反射片的距離。