【文章內(nèi)容簡介】 V以上的電壓，要將采集到的信號進行放大才能讓單片機接收到。設(shè)計放大電路時要求每級放大電路不超過15倍，否則放大效果將會受到影響。要使單片機能接收到光電池感應(yīng)到的信號，那么放大電路至少要放大40倍才能保證單片機接收到高電平，同時也不能太高不然會燒壞單片機，設(shè)計時應(yīng)不超過5V。為此設(shè)計了兩級放大電路：由放大電路計算公式： （41）得到： 得到兩級放大后倍數(shù)約為48倍，滿足設(shè)計要求。2. 采集模塊電路圖本課題主要運用非晶硅光電池對信號進行采集，其方法是在三線擺擺盤上事先畫出一條黑線，實現(xiàn)用一個激光器照射在黑線附近，用LM317控制激光器電壓調(diào)節(jié)其亮度，利用反射式對信號進行采集。當擺盤擺動時，光照射在黑線上，光電池會出現(xiàn)一個明顯的周期電壓變化，對電壓信號用LM324進行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號輸入單片機中如圖44所示，光電池信號從接口端進入，輸出端接到單片機上帶A/D功能的端口，其中一個放大電路為備用電路。單片機圖44 激光發(fā)射及信號采集電路 單片機及其外圍電路設(shè)計ATmega16單片機簡介紹ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。通過將8位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評估板[10]。在本課題研究過程中選用ATmega16單片機作為信號的處理器，是因為該單片機自帶時鐘模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊主要特性包括：10位精度，65260μs 的轉(zhuǎn)換時間，最高分辨率時采樣率高達15kSPS，路復(fù)用的單端輸入通道，可選的左對齊ADC讀數(shù)，0VCC 的ADC輸入電壓范圍，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，通過自動觸發(fā)中斷源啟動ADC 轉(zhuǎn)換，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。響應(yīng)速度快轉(zhuǎn)化精度高，滿足合計需求。 單片機電路設(shè)計其整體結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計參見附錄1所附的電路原理圖。下面就單片機各外圍電路的設(shè)計作簡要的設(shè)計說明。1. 復(fù)位電路和晶振電路的設(shè)計Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外時間，故AVR外部的復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計得很簡單：直接拉一只100K的電阻到VCC即可(R14)為了可靠，再加上一只22pF的電容(C3)以消除干擾、雜波。D4 (1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將R14(100K)電阻短路，讓C3快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當AVR在工作時，按下S1開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位（如圖45）。單片機 圖45 復(fù)位電路和晶振電路原理圖Mega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。，早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化仍然接上。2. AD轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16芯片有獨立的AD電源供電。精度為滿足課題所需設(shè)計要求。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感（L1），然后接一只100pF的電容到地（C6）。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使用TL431基準電壓源。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。習慣上在AREF腳接一只100pF的電容到地（C7）。應(yīng)用時，可以將AVCC直接接到VCC，AREF懸空。即這部分不需要任何的外圍零件。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒有懸空（圖46）。單片機圖46 AD轉(zhuǎn)換濾波線路原理圖3. ISP下載接口設(shè)計ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排25插座。由于沒有外圍零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾（圖47）。單片機圖47 ISP下載接口電路原理圖 LED顯示模塊1. 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及其工作原理數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管（如圖48）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM。接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 圖48a 1位數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖48b 2位數(shù)碼管封裝圖2. LED顯示器顯示方式及使用靜態(tài)顯示驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要58=40根I/O端口來驅(qū)動。動態(tài)顯示驅(qū)動。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)（如圖49）。盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。 DisLED送出一位顯示先點亮最右邊的LED送位控制信號取顯示數(shù)據(jù)指向顯示緩沖區(qū)末地址延時1ms指向下一緩沖單元位控信號左移一位查表取字形碼返回第一位顯示最左一位？YN圖49 LED動態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實驗過程中采用動態(tài)顯示的方法。3. 顯示系統(tǒng)設(shè)計74HC04/74HCT04是六反相器,高速CMOS器件，低功耗肖特基的TTL(LSTTL)電路。在本課題中運用74HC04將單片機和數(shù)碼管相連接。通過單片機連接反向器對數(shù)碼管進行選通。八段段碼LED顯示器的共陽端接+5V，陰端分別接PC0~PC7，選通端1~4和四個反向器相連接由單片機PA0~PA3控制（圖410）。圖410 顯示系統(tǒng)原理圖“三線擺”擺盤LED周期顯示激光器單片機電路光電池及其調(diào)理裝置圖411 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在本課題所研究的“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗平臺輔助裝置的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，改進后采用光電池作為傳感器計數(shù)，大大提高了實驗的精度。通過改進后的實驗裝置在操作方面采用電控的方式，減小了人為干擾，所在實驗過程中把測算周期的精度提高了，其轉(zhuǎn)動慣量的測算精度也有所改進高。 電源模塊設(shè)計該實驗輔助裝置直接引用實驗測量平臺所提供的24V直流電源，主要電路模塊所需電壓為5V，在激光器供電部分，~5V的可調(diào)電源。對此設(shè)計出供電模塊。通過電源模塊用到LM2576轉(zhuǎn)化成直流5V給整個裝置供電。電磁鐵所用24V電壓直接從平臺供電處引出。1. 測量系統(tǒng)供電電路供電電路設(shè)計LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動3A的負載調(diào)整能力。，5V，12V，還有可調(diào)整輸出的型號。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將其外部電路減到最少，使用簡便[11]。LM2576的效率比流行的三段線性穩(wěn)壓器要高得多，是理想的替代。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。在指定輸入電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓的4%誤差，以及振蕩器頻率10%誤差，還包括外部的關(guān)斷電路，特征有50（典型值）待機電流。輸出開關(guān)包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下提供完全保護熱關(guān)斷功能。5V供電電源電路設(shè)計如下圖412所示，在接口的正極接上二極管D1（IN4007）是電流單向?qū)?，防止電源接反造成損失。F1為保險管當負載過高或者短路時保險管熔斷，保護電路。在LM2576的2端口分別連上電容C10（100uF）和C11（1000uF）接地。LED12串聯(lián)接上一個電阻R39（2K）防止LED被燒壞。當有電流通過時指示燈LED12發(fā)光，說明此時電路有點可以進行下一步操作，若指示燈不亮檢查保險管是否被燒化圖412 5V供電電路原理圖2. 激光器供電電路設(shè)計LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算.(42)僅僅從公式本身看，RR2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo=~37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo=~45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0~，在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護電路，防止電路中的電容放電時的高壓把317燒壞。圖413 激光器可調(diào)供電電源本課題運用LM317為激光器供電，實驗中用到的激光器是0~5V供電電壓可調(diào)的銅材半導(dǎo)體激光管，其額定功率為5mW。為了能方便調(diào)節(jié)光照亮度，激光器供電電路要求可調(diào)如圖。由（42）~5V，在使用過程中將R2置于最小端然后開始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到光電池感應(yīng)到的強度超過50mV為止（如圖413）。江蘇技術(shù)師范學院畢業(yè)論文第5章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在確定了周期信號的采集方式的情況下，現(xiàn)對控制圓盤轉(zhuǎn)動角度及釋放圓盤的裝置進行設(shè)計。設(shè)計過程中不僅要滿足實驗精度的要求，同時還要能夠方便的操作從而測量得到可靠的實驗數(shù)據(jù)。本課題所設(shè)計的測試機械結(jié)構(gòu)裝置部分可分為：擺盤夾取裝置、定位移動裝置、轉(zhuǎn)角定位和計數(shù)傳感裝置以及其他部分。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm其整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖51所示：實驗臺立柱電磁鐵 Z方向 X方向Y方向 圖51 裝置機械結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)裝配圖 設(shè)計流程本課題的主要是為了設(shè)計針對ZME1綜合力學實驗臺“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量測量實驗的測量精度提高而設(shè)計的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進方法，要么測量過程復(fù)雜，要么只解決帶來誤差的一兩個問題，尚未有一套合理的改進方法能夠完全解決上述問題，為了簡化實驗的操作過程，減少測量人員的工作量，最大程度的提高測量精度和數(shù)據(jù)可信度，設(shè)計加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置。所設(shè)計的裝置應(yīng)滿足以下三點設(shè)計要求：1. 所設(shè)計裝置在實驗過程中能有效的減小或者避免改進之前實驗人工操作時所帶來的誤差。2. 所設(shè)計裝置在使用過程中能方便師生的使用，達到簡化實驗操作的目的。3. 所設(shè)計裝置必須具有一定的可調(diào)節(jié)性，并且調(diào)節(jié)精度要滿足設(shè)計要求。4. 所設(shè)計裝置不能改變原有的實驗平臺。實驗操作不方便收集“線擺”法測慣量設(shè)想方案草圖設(shè)計“三線擺”改進裝置機構(gòu)模擬AutoCAD工程圖裝配調(diào)試實驗改進裝置3D動態(tài)模擬YYYYYNNNNNNN圖52 機械設(shè)計流程圖用三線擺測圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要將圓盤扭轉(zhuǎn)一個角度，盡管對于通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗裝置，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進行適當修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當小。但本實驗中要求三線擺圓盤作線性振動，對于扭轉(zhuǎn)振動來說，就是把轉(zhuǎn)角大小當作振動位移來建立振動方程，所以根據(jù)線性振動的定義，只有小于6度的扭轉(zhuǎn)振動才是線性振動。爪頭部分由兩內(nèi)徑和擺盤外徑相同的兩彎臂鉸接而成，兩彎臂的尾部有一彈簧，使兩彎臂處于外張狀態(tài)，通過電磁的通斷