基于单片机多谱勒效应实验仪的设计.doc

第１８卷第ｌ期


大


学


物


理


实


验


Ｖ０１．１８ Ｎｏ．１

２００５年３月出版
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ０Ｆ ＣＯＬＩ点ＧＥ
Ｍ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，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Ｉ
Ｔ０

Ｐｏ

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————１
Ｉ光电门１卜－—～ Ｉ盯Ｏ Ｐ３６
１厂————］．．．．．．．．．．． 一
Ｉ光电门２卜～ 【盯ｌ Ｐ２０
日９ｃ昆
单片机
Ｐ２ｌ

２

２．１

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，８９Ｃ５２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Ｉ
ｌ功率放大Ｉ
■Ｌ‘
数４

３


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，电机驱动小车向右运动，到达导轨
的右端时，行程开关ＳＷ接通，小车停止。导轨的右端作为
每次实验的起点。然后电机驱动小车向左运动，８９ｃ５２测
量小车运动时间和话筒信号频率，当小车经过第二个光电
门后停止。为了测小车反向运动多谱勒效应，电机停留２
秒后自动反转，小车向右运动，８９Ｃ５２测量时间和频率，直

到右端行程开关ｓｗ接通小车才停止，完成一次测量周
期。测量时间和频率在ＬＣＤ屏上显示。
圈４软件渡程圈

４

实验结果

实验表明，本多谱勒效应实验仪机械传动平稳，电机控制灵敏．有软硬件保护措施。
８９Ｃ５２计时准确度±ｌ脚，频率测量误差小于１％，信号放大顺稳定可靠，ＬＣＤ显示清晰。本
实验仪在大学物理实验中使用了半年，教学效果良好。

参


考


文


献

［１］


陆正兴、王亚伟．声波多谱勒效应综合实验．物理实验，２００２

ＴＨＥ ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ ＤＯＰＰＬＥＲ ＥＦＦＥＣＴ


ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ

ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＩＣＲＯＣｏＮＴＲＯＬＬＥＲ

Ｃｈｅｎ


Ｇｕｏｊｉｅ


Ｚｈ８ｎｇ Ｌｕｙｉｎｇ


Ｘｉｃ Ｊｉａｌｌｉｎｇ


Ｚｈｏｕ Ｙｏｕｐｉｎｇ

（Ｆｏｓｈａｎ Ｕｌｌｉｖｅ黯ｉｔｙ，Ｆ∞ｈａｎ．５２８０００）

Ａｂｓｔ增ｃｔ：Ｔｈｅ ｏｎ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｍＵｅｒ
＆陀ｉｎｔ础ｃｅｄ．Ｔｈｅ Ｄｂｐｐｌｅｒ ｅ＆ｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｎｖｅＩＩｉｅｎｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，

ｌｏｗ
ｃｏｓｔ
ａｎｄ ｇｏｏｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅ￡【毛ｃｔ．

Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：Ｄ叩ｐｌｅｒ硪ｂｃｔ；∞ｕｎｄ

　万方数据
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｍｅ∞ｕ删ｎｅｎｔ；ａｍｐｌｉｌｉ凹；ｍｉｃｒ∞ｏｎｔｒｏｕｅｒ


一４３—

ｃｏｎｆｉｇｌＩｍｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｙｐｊｃａｌ ｃｉ托ｕｊｔｓ“Ｅｂｐｐｌｅｒ ｅ珏色ｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉ鹏ｎｕｍｅｎｔ ｂａ∞ｄ

基于单片机多谱勒效应实验仪的设计

作者：

作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
引用次数：
陈国杰， 张潞英， 谢嘉宁， 周有平， Chen Guojie， Zhang Luying， Xie Jianing，
Zhou Youping
佛山大学,佛山,528000
大学物理实验
PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE
2005，18(1)
2次

参考文献(1条)
1.陆正兴.王亚伟 声波多普勒效应综合实验[期刊论文]-物理实验 2002(7)

相似文献(0条)

引证文献(2条)
1.陈国杰.谢嘉宁.黄义清.李斌.伍贤栋.周有平 改革大学物理实验教学构建三级双循环教学模式[期刊论文]-实验
室研究与探索 2007(08)
2.陈国杰.谢嘉宁.黄义清.张潞英 构建集约式物理实验开放教学新模式[期刊论文]-实验室研究与探索 2007(04)

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