基于51單片機開發的巨型光電數字計時系統演示儀

朱新培 邱欣平

(贛州市興國平川中學 江西 贛州 342400)

1 引言

隨著時代的發展，傳感器等數字化儀器已經普及到了各級各類學校的實驗室，光電門和數字計時器組成的光電數字計時系統已經成為了物理實驗室的標準配置[1].用它們可以進行速度、加速度、計時、計數、周期和頻率等物理量的測量.用這套系統組合其他的實驗裝置，可以完成如探究牛頓第二定律、動能定理、驗證機械能守恒定律、用單擺測重力加速度、研究碰撞中的動量守恒等實驗.然而由于光電傳感器器件小、計時短、紅外光束不可視等原因，導致很多學生對實驗中的核心部分——光電門和計時器的工作原理卻不甚了解，由此引發的實驗誤差更是一無所知.

基于這種情況，筆者設計并制作了一套巨型真人版的光電門演示系統，用于演示光電門的計時原理、測量平均速度、獲得瞬時速度的原理、分析系統誤差的產生原因及其應對方法.

2 系統框架設計

該演示儀的框架圖如圖1所示.用直徑為25 mm的PVC水管做框架，拼接成一個高2 200 mm,寬900 mm,厚度300 mm的真人版門框①.門框左右兩側離地1 900 mm高處對稱地安裝一對激光對射傳感器的發射器②和接收器③.為了方便調節激光發射器和接收器對準，激光發射器和接收器都是用活動扣安裝在兩片豎直透明亞克力板上，亞克力板又是插在兩根PVC水管所開的豎直槽中，并且也可以上下移動及左右微旋.在門框的一側，設計了一個用透明亞克力板做成的盒子，把單片機系統和控制電路④、大尺寸的數碼顯示管⑤、晶體石英鐘⑥整合在一起，懸掛在離地高1 200 mm處(其中石英鐘的時針和分針被拆除，只留下了秒針，以方便計數，且在石英鐘面罩上開了一條水平槽，方便每次計時前，用手指撥動秒針，讓計時清零).為了演示計時、測平均速度和瞬時速度，制作了兩塊寬分別為600 mm、100 mm的安裝有把手的白色擋光板⑦[2].

圖1 光電門演示儀框架圖

3 電路設計及工作原理

本設計中主要采用的元器件有E3F-20C1激光對射光電開關、DC12 V 繼電器(5腳)、STC89 C52RC單片機系統、3寸4位LED數碼顯示管、普通晶體石英鐘、可調LM2596穩壓模塊.

演示儀的電路設計如圖2所示，電路主電源采用12 V直流電源供電，因為所選的激光對射傳感器和大尺寸數碼顯示管的工作電壓是12 V的，而單片機系統的工作電壓為5 V的，所以電源又分一路通過一個12 V轉5 V的降壓模塊給單片機供電.

圖2 光電門演示儀電路模塊圖

當激光發射器發出的紅色激光射向接收器，使接收器輸出低電平.一旦激光被擋，接收器沒有接收到激光時，接收器就會輸出12 V高電平，觸發繼電器線圈通電，開關被吸合到上端觸點，接通石英鐘的干電池電源，石英鐘開始計時，同時低電平信號也接通了單片機的P34腳(這里用的是STC89C52RC單片機系統，繼電器常開時，P34所連接的繼電器開關處于懸空狀態，單片機I/O口P34默認置高電平)，當P34獲得低電平信號時，啟動單片機計時程序開始計時.當擋光板通過光電門，激光恢復對射，接收端輸出低電平，繼電器斷開開關，石英鐘斷電，停止計時，同時單片機P34腳又恢復高電平，程序停止計時，通過單片機的顯示驅動程序，可以在大尺寸數碼顯示管中實時顯示激光對射傳感器被擋住光的時長，這就實現了光電門的數字計時功能.

4 軟件設計

自制演示儀的計時及顯示程序用C語言編寫，主要分成三大模塊，一是信號觸發單片機產生中斷，啟動定時器計時的程序；二是計時和數顯值的轉換模塊，即要把從定時器所得到的計時數值轉換為數碼管要顯示的時間數據(包括小數點)；三是數碼管顯示的驅動程序，單片機通過串口通信驅動大尺寸(3寸)4位LED數碼顯示管.其主程序流程如圖3所示.

圖3 光電計時流程圖

5 主要用途

(1)模擬光電門計時測速

(2)研究光電門測速誤差的產生原因和應對方法

圖4 實際擋光寬度對有效運動距離的圖示

由于自制演示儀使用的是激光光源，所以在擋光片中能有效地形成可見的光斑，便于進行圖4(a)的誤差分析.而傳統的光電門是由一對紅外發光二極管和接收二極管組成的，發出的紅外光線肉眼不可見，無法發現產生誤差的原因.

實踐中采用雙翼擋光片來替代單擋光片就能消除實驗誤差，如圖4(b)所示，以常用的10.0 mm規格的U型擋光片為例，其每個片翼寬度是5.0 mm，兩擋光片翼之間間隔也是5.0 mm，只要把單片機計時程序改成第1次高電平向低電平跳變時開始計時，第2次高電平向低電平跳變時停止計時，即如圖4(b)中，光斑相對運動到位置3時開始計時，相對運動到位置4時停止計時，由于同一個光電門觸發條件相同，顯然有Δs=d，與X的多少無關，不會產生系統誤差[3,4].

6 結束語

新課標下的高中物理教學，對中學物理教師提出了更高的要求，要求教師盡量通過實驗為學生創設物理情境，通過讓學生觀察實驗現象形成物理觀念，并通過實驗探究讓學生掌握科學探究方法，形成良好科學思維.自制演示儀結構簡單、裝卸方便，操作簡單、直觀有趣，性能穩定、測量精度較高.作為一個演示儀器，能讓學生有足夠的參與度，提高學生學習興趣，幫助他們更好地理解光電門測量平均速度、瞬時速度的原理，又能直觀地分析光電門測速產生誤差的原因，更好地理解使用雙翼擋光片的原理.