法拉第电磁感应定量测试仪-----已经发表在《无线电》杂志上。

hujuan

法拉第电磁感应定量测试仪-----已经发表在《无线电》杂志上。 [复制链接]

图1

             法拉第电磁感应定量测试仪

            

图2

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。

         法拉第电磁感应原理简介

法拉第电磁感应定律表达式: ，式中ΔΦ=ΔB·S，n为线圈的匝数，而 与磁铁的插入速度有关，速度越大， 越小。

       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，它主要有底座、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 ，根据运动学公式 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 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 成正比。

图3

测试仪的电路设计及工作原理

电磁感应定量测试仪电路图如图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，R19和C1是差分电路的退藕滤波电路，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躁声，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。

图5

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）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：

uint read_adc_diff()//查询方式读取ADC差分通道

{

unsigned int ADC_FIX;

  ADCSRA|=(1<

loop_until_bit_is_set(ADCSRA,ADIF);

ADCSRA|=(1<

//舍弃第一次转换结果

ADCSRA|=(1<

loop_until_bit_is_set(ADCSRA,ADIF);

ADCSRA|=(1<

ADC_FIX=ADC;   

if (ADC_FIX>=0x0200) //负数要变换，正数不用

{

Bit_field.Sign_F=1;

//ADC_FIX=(ADC_FIX^0x3ff)+1;     

ADC_FIX|=0xFC00; //变换成16位无符号整数

}

else

{

Bit_field.Sign_F=0;

}

return (uint)ADC_FIX;

  }

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着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，以便在显示数码管的第一位的显示负号。

下面的程序是有关数据处理的：

if((Bit_field.AdStart_F==1)&&((TimeOutChk(&AdMsCount, 2))==0xff))

        {

         // ADC_Diff-=read_adc_diff(AD_Diff1_0_10x);//校准OFFSET

          ADC_Diff =read_adc_diff();

          temp32=(long)ADC_Diff* 2560;

          Ad_temp=(unsigned int)(temp32/5120);

          if(Ad_temp>=LED_Curr)

            {

              LED_Curr=Ad_temp;

            }

           Bit_field.Adc_F=1;

}

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。

nmg

想起了高中的物理老师啦，老师真棒，顶。

kemasz

过来看看~~~~

天明

数字的准还是模拟的准那？

damiaa

谢谢分享。