基于单片机改进物理单摆实验仪器

摘要

针对传统物理单摆实验仪器可操作性差、易产生误差等问题，利用单片机及传感器技术对实验仪器进行部分改进。具体为：采用单片机作为主控制器，凭借激光传感器采集单摆摆动次数，利用单片机外部中断和定时计数器实现自动计数、计时功能；能够存储实验数据并将其实时显示在液晶屏幕上，方便实验数据的处理。从教学效果看，相比传统实验仪器，可实现实验数据的智能化采集，既能减小实验误差，又具有较好的操作性。

Graphical abstract

关键词

STC89C52单片机 / 物理单摆实验仪器 / 传感器技术

在中学物理和大学物理实验中，物理单摆实验仪器发挥着重要作用，如验证单摆的运动规律、机械能守恒定律以及研究重力加速度等实验，均用到物理单摆实验仪器^［1-3］。在实验操作过程中，均需要测量单摆的周期，传统实验方法是利用秒表测量单摆的多个周期总时长t，再通过观察法得到单摆摆动的周期数n，进而计算出单摆实验周期时间T。从结果看，这种实验方法人为误差较大，一旦计数、计时失误，就需要重新进行实验。部分研究者提出利用光电门传感器计量单摆摆动的周期数n，再利用周期测定仪计时^［4］，但在实验中经常出现摆球碰到光电门传感器的现象，需要根据摆长的变化来调整光电门传感器的安装位置，故存在一定的弊端。

针对上述实验存在的缺陷，笔者利用单片机及传感器技术对传统实验仪器进行改进。即：在传统单摆实验仪器中，加入自动计数、计时装置，再利用激光传感器检测摆线通过激光束的次数，进而得到单摆摆动的周期数n。当摆线通过激光束时，激光传感器将检测信号传输给单片机进行处理，触发单片机中的外部中断和定时计数器功能，即可进行自动计数、计时，以此代替传统的人工计数、秒表计时，最后通过计算得到单摆实验周期时间T。在实验时，激光传感器的安装位置不受摆线长短、摆球大小的限制，实验数据会实时显示在液晶屏幕上，并存入单片机内部存储器中，实验人员可以通过实验数据进一步研究实验规律。相较于传统实验仪器，改进实验仪器可以有效减少人为实验误差。

1 硬件系统设计

硬件系统在传统单摆实验仪器的基础上，增加了智能化的计数、计时装置。计数、计时装置主要由主控制器模块、激光传感器模块、按键模块及显示器模块四部分组成。为了实现系统的优化设计，笔者选定如下方案。

1.1 主控制器模块

系统选用STC89C52型号单片机作为主控制器，具有功耗低、处理速度快的优良特点。主控制器外围控制电路如图1所示。单片机内部集成了微处理器、存储器及各种输入、输出接口^［5］，内部包含6个中断源，分别为外部中断INT0、INT1，定时器/计数器中断T0、T1、T2，串行口中断TI/RI。设计选用单片机控制外围模块电路进行工作，结合激光传感器模块的反馈信号，使用其内部的外部中断INT0和定时器/计数器中断T0，实现实验中的自动计数、计时功能。单片机负责实验数据的计算、处理，并将处理后的实验数据进行存储和实时显示。

1.2 激光传感器模块

激光传感器主要由激光头、聚光透镜、调制发射管、调制接收管四部分组成，检测距离0~150 cm，可以根据实际需要调节。该传感器具有抗干扰能力强、反应速度快的优点。当传感器检测到遮挡物（实验时为白色摆线）时，输出高电平信号，否则输出低电平信号。其连接电路如图1中激光传感器模块所示，OUT输出端口与单片机的P3.2（INT0）外部中断INT0引脚相连，设置为低电平触发中断，外部中断INT0的中断优先级为最高，好处是用其端口采集数据，有利于提高实验数据的准确性。

1.3 按键模块

按键模块由3个独立按键组成，分别为电源开关S0、启动/停止键S1以及复位按键S3。启动/停止键S1为自锁式按键，其左侧一端接GND，右侧一端连接单片机的P1.0引脚。单片机通过检测按键右侧一端的电平信号来确认按键是否被按下，根据按键状态执行相应的程序命令，按下S1按键，单摆实验仪器程序启动，激光传感器首次检测到摆线时开始自动计数、计时，松开按键S1，停止计数、计时；S2为无锁式复位按键，按下按键后程序重新执行，重新进行实验。

1.4 显示模块

系统选用LCD12864液晶屏幕实时显示实验数据，该模块可同时显示数字型数据和文本型数据，可使用串行操作和并行操作两种模式与单片机通信，其连接电路如图1中LCD12864模块所示。设计采用并行操作模式，其中D0~D7数据端口分别与单片机的P0.0~P0.7引脚相连，PSB串并行选择端、E使能端、R/W读写控制端、RS数据命令选择端引脚分别与单片机P2.4、P2.5、P2.6、P2.7引脚相连。按照液晶时序图进行程序设置，用以实时显示和读取实验数据。

2 软件系统设计

软件系统设计基于C程序语言并使用Keil软件进行编译、调试，主要由初始化程序、按键识别程序、激光传感器检测程序、计数计时程序和显示数据程序五部分组成，其中，系统程序初始化包括LCD12864液晶显示、外部中断INT0、定时器/计数器中断T0初始化设置程序，软件系统设计流程如图2所示。

3 实验仪器

改进后的物理单摆实验仪器实物与模型图如图3所示，主要由单摆实验仪器和智能计时、计数装置组成。在图3-b中，①是底座，②是摆球，③是聚光透镜，④是激光头，⑤是摆线，⑥是单摆支架，⑦是摆线调节器，⑧是按键模块，⑨是LCD12864液晶。

在实验过程中，按下启动键，释放摆球，当激光传感器首次检测到摆线时，单片机外部中断INT0和定时器/计数器中断T0开始自动计数、计时，并实时显示和存储单摆实验周期n和累计时间t；按下停止键，停止采集实验数据，此时单片机通过计算得到单摆实验周期时间T，实验人员即可读取单片机内部存储的详细实验数据，并据此进一步研究实验规律。

4 结语

采用STC89C52单片机及传感器技术对传统物理单摆实验仪器进行智能化改进，改进实验仪器具备自动计数、计时以及实验数据实时显示等功能，实验操作简单、方便，能有效减少人为实验误差。此改进不仅能提升学生的信息技术与物理实验结合应用能力，而且可用于验证单摆的运动规律、研究重力加速度以及验证机械能守恒定律等实验，效果颇佳。

参考文献

[1] 张雪晴，许新胜.“用单摆测重力加速度”实验教具优化研究［J］.物理通报，2022（01）：50-53.

[2] 李志伟.探究影响单摆周期因素的实验设计［J］.实验教学与仪器，2018，35（12）：38-39.

[3] 张勇，章林.用单摆验证机械能守恒定律的实验设计与反思［J］.物理教学，2018，40（06）：21-22，56.

[4] 蔡彦，党兴菊，周丽，等.普通物理实验中单摆仪的改进探索［J］.昭通学院学报，2017，39（05）：25-27.

[5] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.北京：电子工业出版社，2018.