摘 要： 介紹了一種粘滯系數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，實現了對溫度的自動控制。在RS485標準的基礎上，實現了各實驗儀與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結合。計算機和網絡的加入避免了手工記錄數據的誤差，而且直觀、形象地反映出實驗的規律，更利于數據的存儲和處理，提高了實驗教學效果。
關鍵詞： 粘滯系數測定；半導體制冷片；RS485標準；計算機網絡
粘滯系數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的實驗儀，但是實驗發現，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結合，實現學生實驗報告撰寫、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 系統的結構及原理
改進的粘滯系統實驗儀由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，其系統構圖如圖1所示。
1.1 半導體溫控模塊
溫控系統采用兩片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點。RS485發送和接收模塊以MAX485芯片為核心，實驗儀得到的數據通過RS485發送模塊傳輸至RS485總線，PC側的RS485接收模塊從總線上讀取數據，通過CP2102單芯片的USB轉UART數據轉換電路[8]傳輸到上位機中進行分析和存儲，實現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，實現溫度快速調節。增量式PID算法公式為：
采用湊試法對參數進行整定[9]。首先，整定比例系數kp，kp決定溫度變化的速率，kp越大，溫度變化速度越快，穩態誤差減??；其次，整定積分系數ki，ki能消除穩態誤差，使系統溫度在接近設定溫度時逐漸趨于平穩；最后，整定微分系數kd，kd可以改善溫度變化動態特性，合適的kd減短調節時間，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，進入發送準備狀態。當操作者按下“確定發送”的按鍵時，實驗儀器端的RS485發送模塊先將地址發送至RS485總線，然后將測得數據傳送至RS485總線，PC端的RS485接收模塊接收地址和數據，并經過CP2102單芯片的USB轉UART模塊將數據傳輸至上位機儲存和處理[11]。
3 測試數據
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，節省實驗時間。
本實驗儀改進裝置較好地克服了傳統實驗儀實驗數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據處理能力，還能培養學生利用計算機這一有力工具進行實驗數據的分析處理能力。
參考文獻
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