2023年实验级计数计时器的开发和使用.doc

实验级通用计数计时器的开发和使用实验级通用计数计时器的开发和使用 李昂 杨文博 王天会 摘要：大学物理实验中很多实验涉及计时器的使用，单片机可以很好地完成计时计数功能。选用光电传感器，信号传递给 51 单片机，通过设计程序完成计时计数，达到实验标准。此模式节约了实验时间，提高了测量精度，受到师生广泛认可和欢迎，已在大学物理实验课程中广泛使用。关键词：物理实验;单片机;计时器 中图分类号：O4-33 文獻标识码：A 大学物理实验中，众多实验均需要计时和计数，比较经典的实验如单摆测量重力加速度、三线摆测量刚体的转动惯量等测量周期时均需要计时计数。传统的计时计数方式是采用秒表计时1，人工计数，不仅效率低，误差大，还容易出错，造成整个实验失败。近年来，电子器件更新速度不断加快，为有效结合器件模块化的发展和应用，实验教师在实验教学中不断探索和开发，逐渐摒弃了人工手动计时计数，同时对早期的计数计时器进行创新型改革，使其实现实验级（用）通用性，达到多功能应用水平2-4。1 开发 找到合适的传感器如磁电、光电、声波等实现功能，并选择合适的单片机进行程序设计，完成开发需求。对成品进行校验，并对计时计数器的精度进行测量。如果发现问题，则返回对电路进行优化，直至达到设计要求。1.1 传感器选择 通过分析需求，并对比了表 1 中所列的光电传感器的参数5，我们试验了TCRT5000L 光耦和 OE-10 型光电传感器，并最终确定了 OE-10 型光电传感器为较好的选择，如图 1 所示。1.2 单片机选择 STC89C52 是市面上常见的一种 51 内核单片机，51 单片机开发板集成了流水灯、数码管、矩阵键盘、EEPROM、时钟、蜂鸣器，以及继电器、温度传感器等外设、传感器，便于携带，易于学习和上手，价格低廉，深受单片机爱好者喜爱6，如图 2 所示。它具有以下标准功能：8K 字节 Flash，512 字节 RAM，4 组共 32个 I/O 口，内置 4KB EEP ROM，全双工串行口等。1.3 电路设计 光电传感器和单片机转接电路设计，如图 3 所示。1.4 程序设计 通过开发，试验用计时计数器研制成功，并投入实验中使用。2 实验测试 在单摆测量重力加速度实验中使用开发的单片机进行测量，数据见表 2。从实际测量结果看，30 个周期长度 8 次测量数据结果的单次标准偏差仅为0.011 s，若将此标准偏差分解到 30 次中，每个周期测量结果的标准偏差则更小。可见，开发程序在测量重复性上远远好于人工测量。摆长 L=，周期 T=，根据蛋白周期计算公式 g=容易计算出加速度为 975.1 cm/s2。当地重力加速度理论值为 978.7 cm/s2，可知本次实验测量的相对误差为 0.37%，满足实验要求。可见，51 单片机开发的计时计数器满足了实验需求。3 结语 传感技术的特点是科学的边缘性、内容的多样性和离散性，特别重视新材料、新效应的开发和研制。因此，传感技术也是集各项科学技术的综合技术。随着传感技术的迅速发展，越来越多的大学物理实验开始使用各种传感器进行测量。如利用温度、位移、压力等传感器改进传统实验装置，促进大学物理实验与高新技术的融合7。在大学物理实验中引进“传感技术+单片机技术”，改进传统物理实验，使仪器结构更为紧凑，测控更加简便，从而提高了测量数据的准确度，有效地降低了实验误差。同时既增加了实验的新颖性、直观性，又简化了实验操作步骤、提高了实验精度，促进了传统物理实验教学转向现代化实验教学和创新实验教学，加强了对学生综合应用能力的培养和基本实验技能的训练，拓展了学生对新技术、新方法应用的了解，激发了学生的学习兴趣。本次实验通用计数计时器在物理实验中的应用研制，既可满足实验（如大学物理实验）中自动测量物体的运动周期的需要，又可为电类专业的传感器、单片机课程实验，尤其是课程设计教学中具有应用性的实验项目，为适应应用型人才培养的实验教材增加资料。参考文献 1 王天会，李昂，芦明霞，等.物理实验简明教程M.北京：高等教育出版社，2016.2 夏雪，刘博，王建华.基于单片机的数字秒表设计J.科技创新与应用，2019，9（18）：99-100.3 冯康.单片机定时器在计时器设计中的应用J.福建电脑，2019，35（5）：103-105.4 李昂，王天会，汪亮，等.工科物理实验教学中传感器应用实验综述J.实验室研究与探索，2017，36（3）：217-220.5 王瑾，袁战军.光电传感器及其应用J.电子制作，2014，21（15）：13-14.6 白龙，刘玉良，孙屹琛，等.基于 STC89C52 的单片机实验开发板设计J.科学技术创新，2018，22（5）：188-189.7 李锡均，程敏熙，江敏丽.数字传感器新载体智能手机在物理实验中的应用综述J.大学物理，2018，37（2）：53-59，63.