基于單片機的聲速隨溫度變化測量系統

摘要：空氣中的聲速隨著溫度的變化而變化。開發了基于單片機的聲速隨溫度變化的測量系統，該系統利用80C196KC的高速輸出和輸入功能，記錄下揚聲器發出聲波和麥克風接受聲波的時間，并利用二極管作為溫度傳感器測量空氣溫度。利用PC的串口通信功能和Visual Basic的良好界面實時測繪出聲速隨溫度變化的關系曲線。該曲線與理論曲線非常吻合。該測量系統已經應用于大學物理實驗課堂。
關鍵詞：聲速測量；80C196KC單片機；串口通信；Visual Basic

0 引言
在大學物理實驗中，測量聲速的實驗很多，其中比較常見的就是利用壓電陶瓷片產生超聲波，并運用相位比較法或駐波法測量聲波的波長λ，根據v=λf計算出聲速，其中，f是聲源振動頻率。但是聲速是隨溫度變化的，該裝置難以實時測量隨溫度變化的聲速。因此實驗室開發了基于單片機的聲速隨溫度變化的測量系統，該系統利用最簡單直觀的脈沖法，即通過直接測量聲波傳播一定距離l所需的時間t，求得聲速v=l／t。該系統由80C196KC單片機、揚聲器和麥克風模塊、電阻絲加熱模塊、溫度采集模塊、以及單片機與PC串口通信模塊組成。該系統能實時測繪出聲速隨溫度變化的關系曲線，與理論曲線吻合得非常好。該系統現在已用于大學物理實驗教學中，既響應了國家要求大力發展“卓越工程師教育”的號召，又培養了學生的物理實驗技能，還培養了學生初步的電子應用能力和電路設計能力，也讓學生對單片機有了初步的認識，在一定程度上提高了學生的就業能力。

1 系統框架圖
本實驗系統分為四個模塊，如圖1所示。第一個模塊完成溫度采集功能，用到的溫度傳感器是最基礎的電子元件二極管。二極管的正向電壓隨著溫度的變化而變化，80C196KC單片機采集到二極管的正向電壓信號，從而反映出溫度的變化；第二個模塊是揚聲器和麥克風，聲波經過揚聲器發出后，被反射片反射回來，麥克風接收到聲波后，引發單片機的高速輸入中斷，兩者的時間差由單片機系統記錄；第三個模塊完成單片機與PC的串口通信功能。PC采集到溫度和聲速數據后，利用Visual Basic的良好界面，作圖實時顯示聲速隨溫度變化的關系曲線；第四個模塊是均勻纏繞電阻絲的玻璃管。給電阻絲加上電壓，電阻絲發熱，管內的空氣溫度就逐漸升高。第一個模塊的二極管就放置在玻璃管內的兩側。第二個模塊的揚聲器和麥克風放置在管內左側，而聲波反射片則放置管內右側。可以測量出揚聲器到反射片的距離。