摘 要： 介紹了一種粘滯系數(shù)測定實驗儀的改進裝置。它以C8051F單片機為處理核心，利用半導體制冷片對液體進行加熱和制冷，實現(xiàn)了對溫度的自動控制。在RS485標準的基礎上，實現(xiàn)了各實驗儀與PC機的串行通信，并與基于C/S模式的大學物理實驗報告系統(tǒng)結合。計算機和網絡的加入避免了手工記錄數(shù)據的誤差，而且直觀、形象地反映出實驗的規(guī)律，更利于數(shù)據的存儲和處理，提高了實驗教學效果。
關鍵詞： 粘滯系數(shù)測定；半導體制冷片；RS485標準；計算機網絡
粘滯系數(shù)表征液體粘滯性的強弱，被廣泛應用于流體力學、化學化工、醫(yī)療和水利等領域[1]，是各高校必需的普通物理學實驗。流體粘滯系數(shù)測定的方法一般有落球法、轉筒法、扭擺法和毛細管法等[2-3]。由于落針法測量過程簡便、精確度高，在各高校教學實驗中應用較為普遍[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)據的記錄工作量大，而且只能由學生手工記錄。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[5]，提出改進方法。在保證實驗高效進行的同時，與基于C/S模式的大學物理實驗報告系統(tǒng)結合，實現(xiàn)學生實驗報告撰寫、遞交以及教師批改、管理等的網絡化[6-7]，加快實現(xiàn)普通物理實驗的智能化和高效化，達到良好的教學效果。
1 系統(tǒng)的結構及原理
改進的粘滯系統(tǒng)實驗儀由C8051F微處理器、半導體溫度控制模塊和串行通信模塊三部分組成，其系統(tǒng)構圖如圖1所示。
1.1 半導體溫控模塊
溫控系統(tǒng)采用兩片TEC1-12706半導體制冷片，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。由于驅動半導體制冷片所需的電流較大，因此選用4個場效應晶體管組成H橋電路。考慮到12 V是制冷片工作的最佳電壓，采用兩片半導體制冷片并聯(lián)工作的方式，電流范圍為5~10 A。誤差范圍控制在1 ℃以內，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)據通過RS485發(fā)送模塊傳輸至RS485總線，PC側的RS485接收模塊從總線上讀取數(shù)據，通過CP2102單芯片的USB轉UART數(shù)據轉換電路[8]傳輸?shù)缴衔粰C中進行分析和存儲，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引腳以進行數(shù)據交換。MAX485的A端和B端是RS485網絡的差分信號輸入/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，根據采樣時刻的偏差值計算控制量，控制單片機產生PWM波的占空比，實現(xiàn)溫度快速調節(jié)。增量式PID算法公式為：
采用湊試法對參數(shù)進行整定[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)誤差減小；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減短調節(jié)時間，使溫度在設定溫度附近波動小[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，進入發(fā)送準備狀態(tài)。當操作者按下“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)據傳送至RS485總線，PC端的RS485接收模塊接收地址和數(shù)據，并經過CP2102單芯片的USB轉UART模塊將數(shù)據傳輸至上位機儲存和處理[11]。
3 測試數(shù)據
自然散熱和改進裝置在溫度變化相同時所需的時間比較如表1所示。
*當前平均室溫：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)據表明，在相同的室溫條件下，對一定體積的液體進行降溫，改進裝置的降溫時間遠遠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。測試結果充分表明，改進裝置可大大提高實驗效率，節(jié)省實驗時間。
本實驗儀改進裝置較好地克服了傳統(tǒng)實驗儀實驗數(shù)據存儲和不能得到直觀結果的弊端，雖然半導體制冷片較制冷壓縮機效率略低，但其可以靈活控制溫度，結構簡單、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部件，不會產生回轉效應，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、可靠性高和設備利用率高等優(yōu)點。RS485串行通信技術可以廣泛應用于實驗室研究與實踐中，與C/S模式的大學物理實驗系統(tǒng)對接，達到充分利用計算機及網絡技術進行實驗教學的效果，同時不削弱學生的動手操作及實驗數(shù)據處理能力，還能培養(yǎng)學生利用計算機這一有力工具進行實驗數(shù)據的分析處理能力。
參考文獻
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