基于单片机多谱勒效应实验仪设计

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1、第１８卷第ｌ期大学物理实验Ｖ０１．１８Ｎｏ．１２００５年３月出版ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ０ＦＣＯＬＩ点ＧＥＭ盯．２００５文章编号：１００７—２９３４（２００５）０１—００４１—０３基于单片机多谱勒效应实验仪的设计陈国杰张潞英谢嘉宁周有平（佛山大学，佛山，５２８０００）摘要介绍了用单片机设计多谱勒效应实验仪的电路组成和典型电路，电路简洁，操作方便，成本低，教学效果好。关键词多谱勒效应；声速测量；放大器；单片机中豳分类号：０４２文献标识码：Ａ多谱勒效应是大学物理综合

2、性实验项目，实验原理简单，但实验装置不简单，涉及机械传动、信号放大、光电计时等电路，是光机电一体的实验装置。目前用于多谱勒效应实验教学的仪器很少，文献［１］介绍了一种声波多谱勒效应综合实验装置，需要数字毫秒计、信号放大器、数字频率计等仪器，仪器多、成本高，且电机正反转探制采用传统的继电器和行程开关电路，寿命短，噪声大，控制不灵活。我们对文献［１］实验装置进行了改进，用单片机的计数器／定时器做数字毫秒计和频率计，用无触点的固态继电器控制电机正反转，用集成芯片做放大器，研制了一种声波多谱勒效应实验仪，电路简洁

3、，操作方便，寿命长，成本低，教学效果好。ｌ实验仪电路组成及工作原理声波多谱勒效应实验装置见文献［１］，装有反射面的小车通过传动装置沿水平直导轨往返运动，用扬声器做声源，用话筒做声波接收器。扬声器发出频率固定的声波，声波遇小车反射面后返回被话筒接收。由于多谱勒效应，反射波将发生频移，频移大小与声源频率和反射面（小车）的速度有关。只要测出小车的速度，就可以求出频移；若同时测出速度和频移，就可以求出声速。图ｌ是多谱勒效应实验仪电路组成。光电门ｌ、光电门２和单片机８９Ｃ５２的定时器Ｔｌ组成小车的测速计时电路，小

4、车经过光电门１时向８９ｃ５２时ＩＮ哟端发出中断申请，启动Ｔｌ计时，经过光电门２时向８９Ｃ５２的ＩＮＴｌ端发出中断申请，停止Ｔ１计时，从而测出小车的运动时间，根据光电门１到光电门２的距离就可求出小车的速度。若小车反向运动，则小车经过光电门２时启动Ｔｌ计时，经过光电门２时停止Ｔ１计时，从而可求出小车反向运动速度。话筒放大器是将接收的反射声波信号经电压放大后送给８９ｃ５２的计数器．ＩＤ进行计数，用收稿日期：２００４一１２—１ｌ　万方数据～４１—８９Ｃ５２的定时器Ｔ２计时，他计时１秒时，ＩＤ的计数就是反射声波的

5、频率。扬声器放大器是将信号发生器输出的正弦音频信号进行功率Ｉ话筒ＩＴ０Ｐｏ放大，然后驱动５Ｗ．１０ｗ扬声器发声。电机控制继电器和定位行程开关用来控制电机的正反转，ＬＣＤ显示屏显示光电门计时时间和话筒信号频率；按键用来启动电机和计时、测频电路工作。广————１Ｉ光电门１卜－—～Ｉ盯ＯＰ３６１厂————］．．．．．．．．．．．一Ｉ光电门２卜～【盯ｌＰ２０日９ｃ昆单片机Ｐ２ｌ２２．１电路设计信号放大电路圈ｌ多谱勒效应实验仪电路组成图２是扬声器功率放大器。ＬＭｌ８７５是单片高性能音频放大器，外围电路

6、简单，最大输出功率３０Ｗ，ｌＫＨｚ时失真仅为Ｏ．０１５％，最高频率可达７０ＫＨｚ，有交直流保护、过热保护。通常ＬＭｌ８７５为双电源供电，为了简化电源，本实验仪采用＋１２Ｖ单电源供电。Ｒｌ与Ｒ２对＋１２Ｖ电源分压，为脚提供＋６Ｖ的偏置电压，则静态时输出端４脚也为＋圈２单电源功搴放大矗６Ｖ。图２是输出动态范围近似为６Ｖ的交流功率放大器，放大倍数为：Ａｖ：１＋警。话筒信号放大器用ＬＭ３５８运放构成，也是单电源供电，电路与图２类似，图略。２．２电机探制电路如图３所示，交流电机Ｍ的起停用固态继电器ＳＳＲ控制，电

7、机的正反转用双刀双掷继电器控制。电机反转时，８９ｃ５２的Ｐ３６输出高电平，三极管８５５０截止，ＳＳＲ截止，切断电机电源；然后８９Ｃ５２的Ｐ３７输出高电平，三极管８０５０导通，继电器Ｊ动作，使电机电流反向；最后８９Ｃ５２的Ｐ３６输出低电平，三极管８５５０导通，固态继电器ＳＳＲ导通，电机反转。由于电机反转时先用ＳＳＲ切断电源，再用继电器使电流反向，ｓＳＲ无触点，通过程序不可圈３电机自动正反转控制电器调节电机反转的延迟时间，因而寿命长、无干扰。图３中ｓｗ是行程开关，当小车运动到导轨的右端点时，ｓｗ闭合，８９

8、Ｃ５２的Ｐ２０脚变为低电平，然后８９Ｃ５２控制电机停转或者反转。行程开关Ｓｗ工作于低压小电流，因而寿命较长。　万方一据２—ｌ倍撇广～Ｉ．．．．．．．．．．．．一Ｉ扬声器Ｉｌ功率放大Ｉ■Ｌ‘数４３软件设计图４是软件流程图。单片机８９ｃ５２上电复位后。首先设置标志、赋初值、显示初始状态，然后检测是否有键按下，若无键按下。等待；若有键按下，则执行按链子程序。在按“测量”键后，单片机８９ｃ５２先检测行程开关Ｓｗ是否接通，若没有接通，