李昂 楊文博 王天會

摘要：大學(xué)物理實驗中很多實驗涉及計時器的使用，單片機可以很好地完成計時計數(shù)功能。選用光電傳感器，信號傳遞給51單片機，通過設(shè)計程序完成計時計數(shù)，達到實驗標準。此模式節(jié)約了實驗時間，提高了測量精度，受到師生廣泛認可和歡迎，已在大學(xué)物理實驗課程中廣泛使用。

關(guān)鍵詞：物理實驗;單片機;計時器

中圖分類號：O4-33? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

大學(xué)物理實驗中，眾多實驗均需要計時和計數(shù)，比較經(jīng)典的實驗如單擺測量重力加速度、三線擺測量剛體的轉(zhuǎn)動慣量等測量周期時均需要計時計數(shù)。傳統(tǒng)的計時計數(shù)方式是采用秒表計時[1]，人工計數(shù)，不僅效率低，誤差大，還容易出錯，造成整個實驗失敗。

近年來，電子器件更新速度不斷加快，為有效結(jié)合器件模塊化的發(fā)展和應(yīng)用，實驗教師在實驗教學(xué)中不斷探索和開發(fā)，逐漸摒棄了人工手動計時計數(shù)，同時對早期的計數(shù)計時器進行創(chuàng)新型改革，使其實現(xiàn)實驗級（用）通用性，達到多功能應(yīng)用水平[2-4]。

1 開發(fā)

找到合適的傳感器如磁電、光電、聲波等實現(xiàn)功能，并選擇合適的單片機進行程序設(shè)計，完成開發(fā)需求。對成品進行校驗，并對計時計數(shù)器的精度進行測量。如果發(fā)現(xiàn)問題，則返回對電路進行優(yōu)化，直至達到設(shè)計要求。

1.1 傳感器選擇

通過分析需求，并對比了表1中所列的光電傳感器的參數(shù)[5]，我們試驗了TCRT5000L光耦和OE-10型光電傳感器，并最終確定了OE-10型光電傳感器為較好的選擇，如圖1所示。

1.2 單片機選擇

STC89C52是市面上常見的一種51內(nèi)核單片機，51單片機開發(fā)板集成了流水燈、數(shù)碼管、矩陣鍵盤、EEPROM、時鐘、蜂鳴器，以及繼電器、溫度傳感器等外設(shè)、傳感器，便于攜帶，易于學(xué)習(xí)和上手，價格低廉，深受單片機愛好者喜愛[6]，如圖2所示。它具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，4組共32個I/O口，內(nèi)置4KB EEP ROM，全雙工串行口等。

1.3 電路設(shè)計

光電傳感器和單片機轉(zhuǎn)接電路設(shè)計，如圖3所示。

1.4 程序設(shè)計

通過開發(fā)，試驗用計時計數(shù)器研制成功，并投入實驗中使用。

2 實驗測試

在單擺測量重力加速度實驗中使用開發(fā)的單片機進行測量，數(shù)據(jù)見表2。

從實際測量結(jié)果看，30個周期長度8次測量數(shù)據(jù)結(jié)果的單次標準偏差僅為0.011 s，若將此標準偏差分解到30次中，每個周期測量結(jié)果的標準偏差則更小?？梢姡_發(fā)程序在測量重復(fù)性上遠遠好于人工測量。

擺長L=，周期T=，根據(jù)蛋白周期計算公式g=容易計算出加速度為975.1 cm/s2。當?shù)刂亓铀俣壤碚撝禐?78.7 cm/s2，可知本次實驗測量的相對誤差為0.37%，滿足實驗要求?？梢?，51單片機開發(fā)的計時計數(shù)器滿足了實驗需求。

3 結(jié)語

傳感技術(shù)的特點是科學(xué)的邊緣性、內(nèi)容的多樣性和離散性，特別重視新材料、新效應(yīng)的開發(fā)和研制。因此，傳感技術(shù)也是集各項科學(xué)技術(shù)的綜合技術(shù)。隨著傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的大學(xué)物理實驗開始使用各種傳感器進行測量。如利用溫度、位移、壓力等傳感器改進傳統(tǒng)實驗裝置，促進大學(xué)物理實驗與高新技術(shù)的融合[7]。

在大學(xué)物理實驗中引進“傳感技術(shù)+單片機技術(shù)”，改進傳統(tǒng)物理實驗，使儀器結(jié)構(gòu)更為緊湊，測控更加簡便，從而提高了測量數(shù)據(jù)的準確度，有效地降低了實驗誤差。同時既增加了實驗的新穎性、直觀性，又簡化了實驗操作步驟、提高了實驗精度，促進了傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化實驗教學(xué)和創(chuàng)新實驗教學(xué)，加強了對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)和基本實驗技能的訓(xùn)練，拓展了學(xué)生對新技術(shù)、新方法應(yīng)用的了解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本次實驗通用計數(shù)計時器在物理實驗中的應(yīng)用研制，既可滿足實驗（如大學(xué)物理實驗）中自動測量物體的運動周期的需要，又可為電類專業(yè)的傳感器、單片機課程實驗，尤其是課程設(shè)計教學(xué)中具有應(yīng)用性的實驗項目，為適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實驗教材增加資料。

參考文獻

[1] 王天會，李昂，蘆明霞，等.物理實驗簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2] 夏雪，劉博，王建華.基于單片機的數(shù)字秒表設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，9（18）：99-100.

[3] 馮康.單片機定時器在計時器設(shè)計中的應(yīng)用[J].福建電腦，2019，35（5）：103-105.

[4] 李昂，王天會，汪亮，等.工科物理實驗教學(xué)中傳感器應(yīng)用實驗綜述[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）：217-220.

[5] 王瑾，袁戰(zhàn)軍.光電傳感器及其應(yīng)用[J].電子制作，2014，21（15）：13-14.

[6] 白龍，劉玉良，孫屹琛，等.基于STC89C52的單片機實驗開發(fā)板設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018，22（5）：188-189.

[7] 李錫均，程敏熙，江敏麗.數(shù)字傳感器新載體——智能手機在物理實驗中的應(yīng)用綜述[J].大學(xué)物理，2018，37（2）：53-59，63.