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法拉第电磁感应测量仪
发表日期:2010-07-20 14:05:35 来源:《无线电》杂志 2009.03 作者:殷建彬 【 】 浏览:3961次 评论:0

在现行的高中物理课本中,电磁 感应实验一般用图1所示的实验 装置进行实验的。当我们插入或者拔 出磁铁,电流表就有指示,电流表不 但能显示电流的大小,也能够显示出 电流的方向(指针的偏转方向)。这 个实验的缺点也是非常明显的,一是 不能定量显示磁铁的插入速度和电流 大小的正比关系,二是显示的数据只 是一个瞬间,不能精确地把最大值读 出。笔者设计的电磁感应定量测试仪 不但解决了上述缺点,还增添了新的 功能。

一 法拉第电磁感应原理简介

 

法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 表 达 式 : E =n   DF/Dt,式中DF=DB·S,n为线圈的匝数,而Dt与磁铁的插入速度有关,速度越大,Dt越小。

二  测试仪的结构设计和试验方法

电磁感应定量测试仪的结构如图 2所示,它主要由底座、支架、滑道、 线圈等组成。我们按照1:4:9的比值 在滑道上刻上了刻度,实验时,把电 磁铁放在滑道的某一刻度位置松手, 在重力的作用下,加速下滑,磁铁到 达线圈,磁铁切割磁力线产生感应电 动势。在滑道上下滑时的加速度是 a =gsinq-mgconq,根据运动学公式 n 2=2as可以推出当磁铁分别在1、4、 9刻度下滑,到达线圈的速度是之比是 1:2:3。由此我们可以验证E与Dt成 反比。在这里速度之比与滑道摩擦力 大小没有关系,所以我们对滑道的粗 糙程度不需要处理,只要处处保持一 样就可以了。线圈有3个绕组,如图3 所示。3个绕组的匝数是一样的,由此 我们可以验证E 与n 成正比。我们做这 个实验的时候,还可以把两块磁铁绑 在一块来做实验,由此可以证明E 与 DF成正比。

 

 

 

 

 

 

 

三 测试仪的电路设计及工作原理

 

电磁感应定量测试仪电路如图4所示,主控单片机选用高性能、低功耗 的8位  ATmega16单片机,它具有如下特 点:16KB的系统内可编程Flash;512B EEPROM;1KB SRAM;32个通用I/O口 线;32个通用工作寄存器;3个具有比 较模式的灵活的定时器/计数器(T/C); 可编程串行接口;低功耗空闲和掉电 方式等。ATmega16还有两个具有可编 程增益(1×,  10×,  或200×)的AD差 分通道。

 本测试仪就是用到了可编程增益 10×的AD差分通道,R12~R16组成差 分输入电路,R18和C1是差分电路的退 耦滤波电路,L2就是图3中的线圈。系 统5V电源经过L1、C3滤波后到AVcc, 这样就能很好的抑制掉系统电源中的 高频噪声,提高了AVcc的稳定性。 ADC的参考电压源采用AVcc,电容C4 并接在AREF和地之间也进一步提高了 参考电压的稳定性。

 DS1是4位数码管,R1~R8是限流 电阻,数码管的第一位的G段用来显示 电流的正负,电流为正不显示,电流 为负则G段点亮。 R17和C2组成单片机的复位电 路,由于不需要精确的定时,所以我 们没有用外部晶体振荡器,而是采用


单片机内部的LC振荡器,这样也降低 了制作成本。 S1是测量按键,按一次开始测 量,再按一次数据清零,为一次测量 做好准备,R11是它的上拉电阻,S2是 备用的按键,VD3是AD转换指示LED。

图 5是由VD1、C5、C6、C7、 IC2组成的稳压电路,提供5V的工作电 源。VD2是电源工作指示电路。图6是 实际显示的效果。

单片机程序设计

 

笔者在这里重点说一下模数转 换采集程序的设计。编译器用的是 WINAVR,即GCC。 当ADC转换完成后,可以读 取ADC寄存器的ADC0~ADC9得到 ADC的转换结果。一旦开始读取 ADCL后,ADC数据寄存器就不能被 ADC更新,直到ADCH寄存器被读 取为止。因此,如果结果是左对齐 (ADLAR=1),且不需要大于8位 的精度的话,仅仅读取ADCH寄存器 就足够了。否则,必须先读取ADCL 寄存器 , 再读取 ADCH 寄存器 。 ADMUX寄存器中的ADLAR位决定了 从ADC数据寄存器中读取结果的格 式。如果ADLAR位为"1",结果将 是左对齐;如果ADLAR位为"0" (默认情况),结果将是右对齐。 我们选择内部参考源(AVcc、 2.56V)作为ADC的参考电压,所以 ADMUX寄存器的位REFS1、REFS2都设 定为1。由于线圈的输出电压大约是几 个毫伏到几百个毫伏,我们选择差分 的放大倍数是10,用来显示数据是4个 数码管,其中有一位是显示电流方向 的,实际用来显示的只有3位  ,这样正 好显示测量到的数据。

 单片机采集数据的程序如下:

 

程序说明:我们采用的是查询的 方法来采集AD数据的,每2ms调用一 次这个函数,也就是说2ms采集一次数 据。当切换到差分增益通道,由于自 动偏移抵消电路需要沉积时间,第一 次转换结果准确率很低,最好舍弃第一 次转换结果。

当我们采用差分通道的时候 , ADC的最高位是差分通道的电压的高 低,当是负值时,此位是1。注意如果 用Tiny26单片机ADC+输入端的电压必 须大于或等于ADC-,这也是我们为什 么选择Atmega16单片机的原因。如果 ADC的最高位是1,要进行变换一下,也 就是把高位屏蔽掉。Bit_field.Sign_F=1; 电流方向标志位置1,以便在显示的显 示负号。

下面的程序是有关数据处理的:

 

 

 

程序说明if((Bit_field.AdStart_F==1)& &((TimeOutChk(&AdMsCount,  2))==0xff)) 的意思是当有按键按下并且2ms的时间 到了以后,才进行采集数据。 temp32=(long)ADC_Diff*  2560;和 Ad_temp=(unsigned  int)(temp32/5120); 是数据处理语句。这是由公式ADC=VIN ×GAIN×512/VREF得到的,其中VIN表 示选定的输入引脚上的电压,VREF表 示选定的参考电源的电压,GAIN是差 分增益。if(Ad_temp>=LED_Curr)目的是 为了取电磁感应的最大值。

 程序的其他部分可到www.radio. com.cn上下载,不但有笔者编译通过 的程序,还有Protel99SE格式的电路图 等。

本测试仪经我校物理组使用,实 际效果不错,受到了老师和学生的欢 迎。它造价低,功能全,特别是适合 没有高科技仪器的农村中学使用。对 本设计有什么问题可以发到我的邮箱 jllj2899@163.com。


背景故事

 

电磁感应定量测试仪诞生记

 

 

1992年,我大学本科毕业后分 配到宁阳一中当了物理老师。我是爱 鼓捣东西的,没有想到遇到了和我一 电磁感应定量测试仪诞生记 样爱鼓捣的老前辈——侯庆森老师。 侯老师制作的很多物理教学仪器获过 奖,有的还申请了专利,如物理电流 两用天平等。也听说侯老师发表了好 多文章,羡慕得不得了。我对发表在 《物理教师》(1990.7.8合刊)杂志 上的《法拉第电磁感应定律的定量实 验》一文很感兴趣。据侯老师介绍, 这个仪器在1989年山东省实验器材 发明比赛获得了二等奖,本来可以获 得一等奖的,因为测量感应电压用的 是示波器,而示波器只能显示瞬时电 压,所以示波器显示的时候,水平光 柱上去马上就回到原来的位置,好像 光柱掉下来了似的,读数很不方便。 侯老师给我演示了一番,说:"建 彬,你能让光柱别掉下来吗?"我想 了一下,说:"很简单啊,市场上有 能测量峰值的数字万用表,就不用示 波器了。"侯老师摇摇头说,这是一 个演示实验,讲课的时候,学生看不 到数字万用表显示的数字。后来我就 用运放电路帮助侯老师做了一个峰值 保持电路,总算光柱掉不下来了。 但是,这个效果不错的仪器竟 然没有几个老师愿意用,调查发现, 老师们觉得做个实验需要支架和示波 器,搬来搬去实在不方便,另外示波 器调整起来也很麻烦。我当时也没有 别的显示办法,这个事情就放下了。 1998年,我开始学习单片机,那 个时候,还是学的汇编语言,没有电 脑,进步很慢。2000年用上了电脑, 用C语言编程,水平提高很快,自学了 C51、PIC、AVR、MSP430等单片机, 捣鼓了不少的东西。 去年,拜访退休的侯老师,看 到侯老师还在搞电磁感应定量测量 仪,我说,"侯老师,这个仪器现在 落后了,我们学校有新买的上万元的 仪器,能和电脑联网,直接在大屏幕 显示,什么都可以测量了。"侯老师 却不同意我的意见,他认为用得起这 么贵仪器的农村学校不多,只要解决 显示问题,老师们还是会喜欢用这个 的。我觉得还是有道理的,就利用业 余时间用AVR单片机驱动高亮度数码管 显示数据,实现了老教师的心愿。在 设计过程中,受到网友wangsw热情帮 助,在此表示感谢!

 

 

 

◇     作者简介

我叫殷建彬,是 "老"物理教师了, 是我们学校的科技辅导员,爱好电子,爱 好捣鼓东西,以前修过电器,现在搞设 计。家里最乱的桌子就是我的,老婆也不 敢收拾,呵呵!

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Tags:电磁感应 测量仪 责任编辑:yanhuo
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