摘 要： 介紹了一種粘滯系數(shù)測定實驗儀的改進(jìn)裝置,。它以C8051F單片機為處理核心，利用半導(dǎo)體制冷片對液體進(jìn)行加熱和制冷,，實現(xiàn)了對溫度的自動控制,。在RS485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了各實驗儀與PC機的串行通信,，并與基于C/S模式的大學(xué)物理實驗報告系統(tǒng)結(jié)合,。計算機和網(wǎng)絡(luò)的加入避免了手工記錄數(shù)據(jù)的誤差，而且直觀,、形象地反映出實驗的規(guī)律,，更利于數(shù)據(jù)的存儲和處理，提高了實驗教學(xué)效果,。
關(guān)鍵詞： 粘滯系數(shù)測定,；半導(dǎo)體制冷片；RS485標(biāo)準(zhǔn),；計算機網(wǎng)絡(luò)
粘滯系數(shù)表征液體粘滯性的強弱,，被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué),、化學(xué)化工、醫(yī)療和水利等領(lǐng)域[1],，是各高校必需的普通物理學(xué)實驗,。流體粘滯系數(shù)測定的方法一般有落球法、轉(zhuǎn)筒法,、扭擺法和毛細(xì)管法等[2-3],。由于落針法測量過程簡便、精確度高,，在各高校教學(xué)實驗中應(yīng)用較為普遍[4],。PH-IV型變溫粘滯實驗儀是一種采用落針法測量液體粘滯系數(shù)的實驗儀，但是實驗發(fā)現(xiàn),，待測液體只能通過水浴加熱使液體的溫度上升,，而溫度的下降則依賴于空氣對流散熱，速度十分緩慢,，“變溫”功能存在缺陷,，降低了實驗的效率。另外,，實驗測得數(shù)據(jù)的記錄工作量大,，而且只能由學(xué)生手工記錄。針對以上兩方面問題,，本文以PH-IV型變溫粘滯測定實驗儀作為基礎(chǔ)[5],，提出改進(jìn)方法。在保證實驗高效進(jìn)行的同時,，與基于C/S模式的大學(xué)物理實驗報告系統(tǒng)結(jié)合,，實現(xiàn)學(xué)生實驗報告撰寫、遞交以及教師批改,、管理等的網(wǎng)絡(luò)化[6-7],，加快實現(xiàn)普通物理實驗的智能化和高效化，達(dá)到良好的教學(xué)效果,。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理
改進(jìn)的粘滯系統(tǒng)實驗儀由C8051F微處理器,、半導(dǎo)體溫度控制模塊和串行通信模塊三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)圖如圖1所示,。
1.1 半導(dǎo)體溫控模塊
溫控系統(tǒng)采用兩片TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片,，通過H橋電路改變直流電流的極性，實現(xiàn)在制冷片的制冷或加熱功能,。由于驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片所需的電流較大,，因此選用4個場效應(yīng)晶體管組成H橋電路?？紤]到12 V是制冷片工作的最佳電壓,，采用兩片半導(dǎo)體制冷片并聯(lián)工作的方式,，電流范圍為5~10 A。誤差范圍控制在1 ℃以內(nèi),，實驗測得,，加熱制冷的溫度范圍為10~70℃，完全可以滿足實驗中不同溫度下測定不同粘滯系數(shù)的溫度要求,。溫度自動控制模塊原理圖如圖2所示,。
1.2 串行通信模塊
RS485協(xié)議允許128個單片機進(jìn)行通信，具有通信速率快和傳輸距離長的優(yōu)點,。RS485發(fā)送和接收模塊以MAX485芯片為核心,，實驗儀得到的數(shù)據(jù)通過RS485發(fā)送模塊傳輸至RS485總線，PC側(cè)的RS485接收模塊從總線上讀取數(shù)據(jù),，通過CP2102單芯片的USB轉(zhuǎn)UART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路[8]傳輸?shù)缴衔粰C中進(jìn)行分析和存儲，實現(xiàn)上位機和實驗儀一對多的串行通信,。
本裝置中的RS485通信接口電路使用MAX485芯片構(gòu)成,，如圖3所示。單片機的P1.0腳和P1.1腳控制發(fā)送器和接收器的使能,，分別接RS485芯片的DE腳和RE腳,。RXD和TXD引腳則分別接RO和DI引腳以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MAX485的A端和B端是RS485網(wǎng)絡(luò)的差分信號輸入/輸出端需要接到RS485總線上,，并在A,、B間串接100~200 Ω的電阻。另外,，DE,、RE、RO,、DI引腳都需要接上拉電阻[9],。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 溫度控制及增量式PID算法
單片機控制是一種采樣控制，根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量,，控制單片機產(chǎn)生PWM波的占空比,，實現(xiàn)溫度快速調(diào)節(jié)。增量式PID算法公式為：
采用湊試法對參數(shù)進(jìn)行整定[9],。首先,，整定比例系數(shù)kp，kp決定溫度變化的速率,，kp越大,，溫度變化速度越快，穩(wěn)態(tài)誤差減??；其次,，整定積分系數(shù)ki，ki能消除穩(wěn)態(tài)誤差,，使系統(tǒng)溫度在接近設(shè)定溫度時逐漸趨于平穩(wěn),；最后，整定微分系數(shù)kd,，kd可以改善溫度變化動態(tài)特性,，合適的kd減短調(diào)節(jié)時間，使溫度在設(shè)定溫度附近波動小[10],。溫度控制程序流程圖如圖4所示,。
2.2 RS485串行通信
RS485串口通信開始時，RE和DE共同置為低,，進(jìn)入發(fā)送準(zhǔn)備狀態(tài),。當(dāng)操作者按下“確定發(fā)送”的按鍵時，實驗儀器端的RS485發(fā)送模塊先將地址發(fā)送至RS485總線,，然后將測得數(shù)據(jù)傳送至RS485總線,，PC端的RS485接收模塊接收地址和數(shù)據(jù)，并經(jīng)過CP2102單芯片的USB轉(zhuǎn)UART模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機儲存和處理[11],。
3 測試數(shù)據(jù)
自然散熱和改進(jìn)裝置在溫度變化相同時所需的時間比較如表1所示,。
*當(dāng)前平均室溫：20℃
*測試儀器：KENKO KK-5898秒表
測試選擇70 ℃作為儀器中液體起始溫度，溫度變化間隔為10 ℃,，液體體積為0.5 L,。表1中的實驗數(shù)據(jù)表明，在相同的室溫條件下,，對一定體積的液體進(jìn)行降溫,，改進(jìn)裝置的降溫時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然散熱所需的時間。隨著溫度的下降,，下降相同范圍的溫度所需的時間會更長,。測試結(jié)果充分表明，改進(jìn)裝置可大大提高實驗效率,，節(jié)省實驗時間,。
本實驗儀改進(jìn)裝置較好地克服了傳統(tǒng)實驗儀實驗數(shù)據(jù)存儲和不能得到直觀結(jié)果的弊端，雖然半導(dǎo)體制冷片較制冷壓縮機效率略低,，但其可以靈活控制溫度,，結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉,，大大地提高了實驗效率,，而且不需要任何制冷劑，沒有污染源以及旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng),，工作時沒有震動和噪音,，使用壽命長，安裝容易,。整個裝置具有人機接口友好,、可靠性高和設(shè)備利用率高等優(yōu)點。RS485串行通信技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于實驗室研究與實踐中,，與C/S模式的大學(xué)物理實驗系統(tǒng)對接,，達(dá)到充分利用計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)的效果，同時不削弱學(xué)生的動手操作及實驗數(shù)據(jù)處理能力,，還能培養(yǎng)學(xué)生利用計算機這一有力工具進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力,。
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