0 前言

　　目前，普通物理實驗中的溫度測量絕大多數(shù)采用水銀或酒精溫度計和熱電偶溫度計，但水銀溫度計的示值常滯后于實際溫度且讀數(shù)不方便；熱電偶溫度計由于溫度與電勢差的關系為非線性導致測量溫度不精確、讀數(shù)繁瑣、測量時間長、功能比較單一。這兩種溫度計在測溫時精度不高，人為讀數(shù)誤差大，特別是面對定點間隔連續(xù)測溫、兩點同時測溫等場合時，所得數(shù)據(jù)不僅誤差較大，而且不易操作。

　　針對這種情況我們設計并制作了多功能溫度檢測記錄儀。其除了可以實現(xiàn)高精度的溫度實時測量外，還可以實現(xiàn)定點等間隔連續(xù)測溫、兩點同時實時測溫、測量數(shù)據(jù)的自動存儲和簡單計算處理等功能，這樣可以將同學們從繁重的溫度記錄工作中解脫出來，去關注實驗原理、實驗數(shù)據(jù)處理和分析實驗數(shù)據(jù)的意義等更有深度的工作，從而進一步加強普通物理實驗對學生綜合專業(yè)技能的培養(yǎng)。

　　1 系統(tǒng)設計

　　1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　多功能溫度檢測記錄儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主控模塊、溫度檢測模塊、顯示模塊、存儲模塊、鍵盤控制模塊和報警模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作時，主控模塊通過液晶屏顯示主菜單，然后通過鍵盤選擇相應的功能，系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)不丟失，方便實驗數(shù)據(jù)的保存。

　　1．2 硬件電路設計

　　系統(tǒng)總體硬件電路圖如圖2所示。

　　1．2．1 主控模塊電路

　　主控模塊采用AT89S52單片機作為主控芯片。主控模塊主要控制并協(xié)調(diào)其他模塊的工作。它可以讀取溫度檢測模塊的實時溫度數(shù)據(jù)并進行簡單計算，然后存儲并顯示；或者根據(jù)鍵盤輸入的命令進行相應的操作，完成各種溫度檢測的功能。

　　1．2．2 溫度檢測模塊電路

　　溫度檢測模塊采用高性能的溫度傳感器18B20作為核心，它可以及時地將其所處環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在其自帶的寄存器中。其溫度轉(zhuǎn)換效率可達0．2s。這完全滿足普通物理實驗對于溫度轉(zhuǎn)換速率的要求，同時其溫度的分辨率可達到0．01℃，這相比于普通的水銀或酒精溫度計的分辨率要高出許多，完全可以適應普通物理實驗中對溫度檢測的需求。

　　1．2．3 存儲模塊電路

　　本模塊采用AT24C02作為存儲芯片。主控模塊將讀取的溫度值處理以后，以一定的格式存入24C02中，在需要的時候可以調(diào)出存入其中的數(shù)據(jù)，一邊查看使用。系統(tǒng)再次上電后，仍可通過調(diào)用24C02中的數(shù)據(jù)進行顯示。實現(xiàn)了溫度的存儲和掉電保護功能。

　　1．2．4 顯示模塊電路

　　由于輸出的信息量比較大，包括功能菜單的顯示和選項的調(diào)節(jié)界面，溫度的存儲與顯示，以及最后的自動繪圖功能等，顯示模塊采用LCD12864進行信息的輸出顯示，它是128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標GB2312碼簡體中文字庫(16×16點陣)、128個字符(8×16點陣)及64×256點陣顯示RAM(GDRAM)，通過使用12864完全可以滿足設計要求。

　　1．2．5 鍵盤控制模塊電路

　　考慮到系統(tǒng)體積設計小巧，數(shù)據(jù)輸入較少，我們用小按鍵自制了獨立鍵盤，操作靈活方便。按鍵功能如下：

(1)S1：功能設置鍵；
(2)S2：選項上調(diào)；
(3)S3：選項下調(diào)；
(4)S4：確認；
(5)S5：退出；

　　通過五個按鍵的不同組合可以實現(xiàn)不同溫度檢測方式。

　　1．2．6 電源電路

　　電源采用自帶的電池供給各系統(tǒng)模塊使用。這樣可以擴大儀器的使用范圍，即使是在無外接電源的情況下也可以用電池供電，正常工作。

　　1．2．7 提示模塊電路

　　采用有源蜂鳴器來實現(xiàn)對人機操作的指示作用。當數(shù)據(jù)存儲完成時，蜂鳴器鳴響，指示存儲完成。當溫度超出設定值時，可實現(xiàn)報警功能。

　　1．3 軟件設計

　　軟件采用keil編譯器用C語言編寫，程序流程圖如圖3所示。

　　功能菜單分別為：單點測溫、兩點測溫、設置零點測溫、溫差記錄。進入每個功能子菜單都會有兩種設置，分別是存儲次數(shù)的設置和存儲間隔時間設置。設置好后，按下“存儲”鍵即可開始存儲，系統(tǒng)按照時間依次存儲數(shù)據(jù)，當達到預定存儲次數(shù)時，即可通過按下“查看”按鍵，液晶顯示存儲的數(shù)據(jù)，并且可以通過系統(tǒng)的自動繪圖功能繪制“溫度-時間”變化曲線圖，顯示在屏幕上。程序的編寫采用模塊化設計。其分為主程序和幾個模塊子程序。部分源程序如下：

　　2 安裝與調(diào)試

　　2．1 電路安裝

　　電路使用萬用板焊接而成，LCD12864液晶直接安插在電路板上，兩個溫度傳感器用熱膠和熱縮管進行包裝處理，使其可以在液體中進行正常測溫。同時使用了較長的導線將溫度計連接在電路板中，這樣方便實驗時將溫度傳感器放入其它儀器進行溫度的測量。

 　　2．2 功能測試

　　由于溫度傳感器所測的溫度與實際溫度有一定的偏差，我們通過將溫度計放入冰水混合物中進行溫度的調(diào)較，使其能夠得到較準確的溫度值。

　　通過調(diào)節(jié)存儲次數(shù)和存儲時間間隔，進行了多次的溫度存儲實驗，驗證其是否能夠正常存儲，結(jié)果顯示各個功能均能很好地實現(xiàn)。

　　在進行多組數(shù)據(jù)的測量之后，我們使用本系統(tǒng)的自動制表功能將“溫度-時間”的關系圖標，通過曲線的形式顯示在12864圖形液晶上。

　　3 實驗驗證

　　使用傳統(tǒng)的酒精溫度計，進行混合法測固體比熱的實驗，記錄溫度數(shù)據(jù)如下表：(銅的比熱容：0．37*10＾3J／(kg·℃))。

　　通過作圖得出理想中熱量傳遞得無限快的水的初溫和終溫約為53℃和49．70℃得出的銅的比熱容為：0．42*10＾3J／(kg·℃)。

　　使用本設計中的多功能溫度監(jiān)測記錄儀，進行混合法測固體比熱的實驗，記錄溫度數(shù)據(jù)如下表：

　　通過作圖得出理想中熱量傳遞得無限快的水的初溫和終溫約為53．4℃和50．3℃得出的銅的比熱容為：0．39*10＾3J／(kg·℃)。

　　在實驗過程中，我們分別采用了溫度計和多功能溫度監(jiān)測記錄儀。記錄儀一個非常明顯的優(yōu)勢在于它能夠在無人觀看溫度的情況下自行記錄溫度，可以比較容易地實現(xiàn)溫度的定點定次測量，實驗者要做的只是在實驗完成后直接進行實驗數(shù)據(jù)處理即可，防止了因為誤讀或溫度計精度不夠造成實驗結(jié)果的誤差太大。

　　4 總結(jié)

　　本設計結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡單溫度測量，而且具備定點定次溫度測量功能、存儲功能、顯示溫差功能、溫度監(jiān)測功能、自動制圖功能等。能夠較好地減少物理實驗中對多次高精度測量的繁瑣步驟，以及對實驗數(shù)據(jù)的分析操作，方便實驗者進行多種跟溫度有關的物理實驗。