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.