李昂 楊文博 王天會(huì)

摘要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中很多實(shí)驗(yàn)涉及計(jì)時(shí)器的使用，單片機(jī)可以很好地完成計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能。選用光電傳感器，信號(hào)傳遞給51單片機(jī)，通過設(shè)計(jì)程序完成計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。此模式節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了測(cè)量精度，受到師生廣泛認(rèn)可和歡迎，已在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中廣泛使用。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);單片機(jī);計(jì)時(shí)器

中圖分類號(hào)：O4-33? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，眾多實(shí)驗(yàn)均需要計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)，比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)如單擺測(cè)量重力加速度、三線擺測(cè)量剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等測(cè)量周期時(shí)均需要計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)。傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)方式是采用秒表計(jì)時(shí)[1]，人工計(jì)數(shù)，不僅效率低，誤差大，還容易出錯(cuò)，造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷探索和開發(fā)，逐漸摒棄了人工手動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，同時(shí)對(duì)早期的計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器進(jìn)行創(chuàng)新型改革，使其實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)級(jí)（用）通用性，達(dá)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(shí)現(xiàn)功能，并選擇合適的單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，完成開發(fā)需求。對(duì)成品進(jìn)行校驗(yàn)，并對(duì)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的精度進(jìn)行測(cè)量。如果發(fā)現(xiàn)問題，則返回對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.1 傳感器選擇

通過分析需求，并對(duì)比了表1中所列的光電傳感器的參數(shù)[5]，我們?cè)囼?yàn)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(jī)選擇

STC89C52是市面上常見的一種51內(nèi)核單片機(jī)，51單片機(jī)開發(fā)板集成了流水燈、數(shù)碼管、矩陣鍵盤、EEPROM、時(shí)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(jià)格低廉，深受單片機(jī)愛好者喜愛[6]，如圖2所示。它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，4組共32個(gè)I/O口，內(nèi)置4KB EEP ROM，全雙工串行口等。

1.3 電路設(shè)計(jì)

光電傳感器和單片機(jī)轉(zhuǎn)接電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。

1.4 程序設(shè)計(jì)

通過開發(fā)，試驗(yàn)用計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器研制成功，并投入實(shí)驗(yàn)中使用。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在單擺測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)中使用開發(fā)的單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)見表2。

從實(shí)際測(cè)量結(jié)果看，30個(gè)周期長(zhǎng)度8次測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果的單次標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.011 s，若將此標(biāo)準(zhǔn)偏差分解到30次中，每個(gè)周期測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差則更小。可見，開發(fā)程序在測(cè)量重復(fù)性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于人工測(cè)量。

擺長(zhǎng)L=，周期T=，根據(jù)蛋白周期計(jì)算公式g=容易計(jì)算出加速度為975.1 cm/s2。當(dāng)?shù)刂亓铀俣壤碚撝禐?78.7 cm/s2，可知本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相對(duì)誤差為0.37%，滿足實(shí)驗(yàn)要求?？梢姡?1單片機(jī)開發(fā)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器滿足了實(shí)驗(yàn)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

傳感技術(shù)的特點(diǎn)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)開始使用各種傳感器進(jìn)行測(cè)量。如利用溫度、位移、壓力等傳感器改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與高新技術(shù)的融合[7]。

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)“傳感技術(shù)+單片機(jī)技術(shù)”，改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，使儀器結(jié)構(gòu)更為緊湊，測(cè)控更加簡(jiǎn)便，從而提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，有效地降低了實(shí)驗(yàn)誤差。同時(shí)既增加了實(shí)驗(yàn)的新穎性、直觀性，又簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作步驟、提高了實(shí)驗(yàn)精度，促進(jìn)了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)和基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，拓展了學(xué)生對(duì)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(shí)驗(yàn)通用計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研制，既可滿足實(shí)驗(yàn)（如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)）中自動(dòng)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)周期的需要，又可為電類專業(yè)的傳感器、單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)，尤其是課程設(shè)計(jì)教學(xué)中具有應(yīng)用性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教材增加資料。

參考文獻(xiàn)

[1] 王天會(huì)，李昂，蘆明霞，等.物理實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)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(jī)的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，9（18）：99-100.

[3] 馮康.單片機(jī)定時(shí)器在計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].福建電腦，2019，35（5）：103-105.

[4] 李昂，王天會(huì)，汪亮，等.工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)綜述[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板設(shè)計(jì)[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(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用綜述[J].大學(xué)物理，2018，37（2）：53-59，63.