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单片机技术在物理实验中的应用
刘依真陈志杰魏敏建张进宏
(北京交通大学理学院,北京 100044)

摘要使用单片机等先进技术对传统的物理实验仪器进行改进。实现了对大量测试
数据的采集和对实验数据的处理、保存和显示,并显示测量曲线。利用串行口将多台
实验仪器同时与一台 PC 机通信,将实验数据传送到 PC 机。
关键词单片机;夫兰克—赫兹实验

在大学物理实验中,有许多需要测量大量数据,并画出测量曲线的实验。这样的
实验要进行多次简单的重复操作,不能有效地锻炼和提高学生的实验操作能力。并且
使学生在长时间单调的操作中减弱了对物理理论和实验现象及方法的关注。为了提高
实验教学的效率,让学生接触一些现代测量方法,我们将单片机技术引入到一些实验
中,如单缝衍射、F—H(夫兰克—赫兹)和光电效应等实验。本文以 F—H 实验为例,
讨论单片机在物理实验中的应用。
实验仪器的工作原理
F—H 实验的实验原理在有关原子物理学和大学物理实验教材中都有详细论述,本
文不在赘述。
传统的 F—H 实验仪采用手动逐点扫描法记录众多数据,由此计算实验结果。记录
一组数据需要较长时间,不能直接观察到实验曲线,无法及时判断实验效果;在有限
的课时内,来不及进行不同实验条件下的测量。近年来,出现了数字化、自动化的实
验仪器,使用 PC 机完成数据的采集、处理并显示曲线和实验结果。
我们采用单片机技术,实现了自动采集、处理和保存数据;由点阵式LCD显示器及
时显示实验曲线及有关数据,同样达到了使用PC机的效果,使得整套仪器简洁轻便,
并且保持了传统仪器的手动调整扫描电压,实时显示电流IA数值的功能。为了使教师及
时了解所有学生的实验进展,学生方便地得到实验数据,本仪器具有与PC机通信的功
能,一台PC机可以同时连接数十台F—H实验仪,将实验数据传送到PC机。
本仪器由主机和 F—H 管两部分组成。主机包括各路稳压电源、扫描电源和微电流
放大器、单片机系统、液晶显示器(LCD)和 RS—485 接口等,见图 1。
液晶显示器(LCD)是仪器
KG G A
的一个重要部件,采用 240× 1 2 微电流放大器
I
128 点阵的 LCD 显示器,可以 Ar气体 A
UF
清晰地显示 F—H 曲线及数据
等。在显示器右侧开辟了中文 UG1k
操作选项,通过移动光标和
UG2A
Enter 键进入,Quit 键退出,不-+
UG2K
仅使操作简洁清晰,而且减少扫描电源
了键的数量。
DA转换器 AD转换器
实验仪与 PC 机通信
使用一台 PC 机同时与多台
485串行单片机 LCD
实验仪连接,及时得到每个学接口系统显示器
生的实验数据,不仅方便实验
教学,而且节省了大量 PC 机和使
图 1 仪器原理框图
用面积。这种一点对多点的通信方
式通常采用 RS—485 接口。RS—485 接口是一种半双工通信口,即只用一个信道分时
完成发送和接收数据。这样只需用两条线(485+和 485-)就可以将多台实验仪和 PC
机相连接,见图 2。一般 PC 机只具备 RS—232 接口,因此需要安装一个 232/485 转换
器。
在一点对多点的通信