摘  要： 介紹了一種粘滯系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)裝置。它以C8051F單片機(jī)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(shí)現(xiàn)了對溫度的自動(dòng)控制。在RS485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,，實(shí)現(xiàn)了各實(shí)驗(yàn)儀與PC機(jī)的串行通信,，并與基于C/S模式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)結(jié)合。計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)的規(guī)律，更利于數(shù)據(jù)的存儲和處理,，提高了實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

　粘滯系數(shù)表征液體粘滯性的強(qiáng)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(shí)驗(yàn),。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(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較為普遍[4],。PH-IV型變溫粘滯實(shí)驗(yàn)儀是一種采用落針法測量液體粘滯系數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀,，但是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的效率,。另外,，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀作為基礎(chǔ)[5]，提出改進(jìn)方法,。在保證實(shí)驗(yàn)高效進(jìn)行的同時(shí),，與基于C/S模式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)現(xiàn)普通物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)在制冷片的制冷或加熱功能,。由于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片所需的電流較大，因此選用4個(gè)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(shí)驗(yàn)測得,，加熱制冷的溫度范圍為10~70℃，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)中不同溫度下測定不同粘滯系數(shù)的溫度要求,。溫度自動(dòng)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(gè)單片機(jī)進(jìn)行通信，具有通信速率快和傳輸距離長的優(yōu)點(diǎn),。RS485發(fā)送和接收模塊以MAX485芯片為核心,，實(shí)驗(yàn)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(jī)中進(jìn)行分析和存儲,，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jì)
2.1 溫度控制及增量式PID算法
　單片機(jī)控制是一種采樣控制,，根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量,，控制單片機(jī)產(chǎn)生PWM波的占空比，實(shí)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?。黄浯?，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(shí)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(dòng)態(tài)特性,，合適的kd減短調(diào)節(jié)時(shí)間,，使溫度在設(shè)定溫度附近波動(dòng)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(shí),，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(shí),，實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)所需的時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然散熱所需的時(shí)間,。隨著溫度的下降,，下降相同范圍的溫度所需的時(shí)間會更長。測試結(jié)果充分表明,，改進(jìn)裝置可大大提高實(shí)驗(yàn)效率,，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。
　本實(shí)驗(yàn)儀改進(jìn)裝置較好地克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)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(jī)效率略低,，但其可以靈活控制溫度，結(jié)構(gòu)簡單,、造價(jià)低廉,，大大地提高了實(shí)驗(yàn)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(shí)沒有震動(dòng)和噪音,，使用壽命長,，安裝容易。整個(gè)裝置具有人機(jī)接口友好,、可靠性高和設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn),。RS485串行通信技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)踐中，與C/S模式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對接,，達(dá)到充分利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果,，同時(shí)不削弱學(xué)生的動(dòng)手操作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力，還能培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)這一有力工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理能力,。
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