【正文】 移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)考慮到本課題所需設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置的調(diào)節(jié)范圍較短，但是精度要求較高，所以選用了絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱(chēng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 定位移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)在本課題所述輔助測(cè)量裝置平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分，通過(guò)調(diào)節(jié)蝶形螺母由絲桿副組成的移動(dòng)副能實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量裝置在給定范圍內(nèi)水平移動(dòng)，在對(duì)中裝置的下方同樣裝有絲桿機(jī)構(gòu)，能在上下方向上移動(dòng)，兩者的移動(dòng)精度可保證在 以?xún)?nèi)。當(dāng)電磁鐵有電流通過(guò)時(shí)，電磁鐵往后收縮，兩個(gè)爪頭向中間靠攏，抓住擺盤(pán)。在弧形夾頭板件上面有兩塊帶有弧度的夾爪頭，此夾爪頭圓弧所對(duì)應(yīng)的直徑為 100mm，與“三線(xiàn)擺”實(shí)驗(yàn)裝置的擺盤(pán)直徑相同，此設(shè)計(jì)的目的是為了讓夾頭在夾取的時(shí)候能夠更加穩(wěn)定。其工作過(guò)程如圖 55所示。通電后電磁鐵向后收縮 10mm，此時(shí)，兩個(gè)夾頭分別向圓盤(pán)中心位置處移動(dòng) 5mm，從而使夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤(pán)。由于電磁鐵為純電控執(zhí)行器件，所以常作為自動(dòng)化設(shè)備的執(zhí)行元件之用途如圖 54 所示。框架式電磁鐵工作過(guò)程為：當(dāng)接入 24V 直流電源時(shí)產(chǎn)生電流，通電螺線(xiàn)管會(huì)產(chǎn)生磁通吸引可動(dòng)鐵芯，從而實(shí)現(xiàn)電磁鐵的移動(dòng)。安裝尺寸：202637mm。圖 53 釋放機(jī)構(gòu)實(shí)物圖本課題設(shè)計(jì)所用電磁鐵采用框架直流推拉式電磁鐵 ZYE1(TAU)0837ZP DC12/24V 其行程為 10mm。 釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)釋放機(jī)構(gòu)主要是由電磁鐵控制夾頭對(duì)擺盤(pán)的抓取和釋放，如圖 53 所示，該圖表示電磁鐵和夾頭之間的連接。圓盤(pán)的扭轉(zhuǎn)及夾緊（放松）分別由釋放機(jī)構(gòu)和夾頭控制，夾頭部分和電磁鐵相連接，通過(guò)控制電磁鐵的通斷來(lái)控制夾頭的張合。為了實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度 6176。但本實(shí)驗(yàn)中要求三線(xiàn)擺圓盤(pán)作線(xiàn)性振動(dòng)，對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)說(shuō)，就是把轉(zhuǎn)角大小當(dāng)作振動(dòng)位移來(lái)建立振動(dòng)方程，所以根據(jù)線(xiàn)性振動(dòng)的定義，只有小于 6 度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)才是線(xiàn)性振動(dòng)。4. 所設(shè)計(jì)裝置不能改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)。2. 所設(shè)計(jì)裝置在使用過(guò)程中能方便師生的使用，達(dá)到簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作的目的。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm 其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 51 所示： 圖 51 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)裝配圖 設(shè)計(jì)流程本課題的主要是為了設(shè)計(jì)針對(duì) ZME1 綜合力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)“三線(xiàn)擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度提高而設(shè)計(jì)的一套輔助測(cè)量裝置，現(xiàn)有的測(cè)量改進(jìn)方法，要么測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，要么只解決帶來(lái)誤差的一兩個(gè)問(wèn)題，尚未有一套合理的改進(jìn)方法能夠完全解決上述問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，減少測(cè)量人員的工作量，最大程度的提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可信度，設(shè)計(jì)加工了“三線(xiàn)擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量輔助裝置。設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)精度的要求，同時(shí)還要能夠方便的操作從而測(cè)量得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由（42）可得變化電壓為 ~5V，在使用過(guò)程中將R2 置于最小端然后開(kāi)始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到光電池感應(yīng)到的強(qiáng)度超過(guò) 50mV 為止（如圖413）。圖 413 激光器可調(diào)供電電源本課題運(yùn)用 LM317 為激光器供電，實(shí)驗(yàn)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。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。電子愛(ài)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。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)指示燈 LED12 發(fā)光，說(shuō)明此時(shí)電路有點(diǎn)可以進(jìn)行下一步操作，若指示燈不亮檢查保險(xiǎn)管是否被燒化 J3COND47FG+inUTPEBK5/LM6uH89圖 412 5V 供電電路原理圖2. 激光器供電電路設(shè)計(jì)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。在 LM2576 的 2 端口分別連上電容C10（ 100uF）和 C11（1000uF）接地。5V 供電電源電路設(shè)計(jì)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)ǎ乐闺娫唇臃丛斐蓳p失。在指定輸入電壓和輸出負(fù)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(jī)電流。LM2576 的效率比流行的三段線(xiàn)性穩(wěn)壓器要高得多，是理想的替代。這些器件的固定輸出電壓有，5V，12V，還有可調(diào)整輸出的型號(hào)。電磁鐵所用 24V 電壓直接從平臺(tái)供電“三線(xiàn)擺”擺盤(pán)激光器光電池及其調(diào)理裝置LED周期顯示020406080100第 一 季 度 第 三 季 度東 部西 部北 部單片機(jī)電路 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 201()RV??處引出。對(duì)此設(shè)計(jì)出供電模塊。通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面采用電控的方式，減小了人為干擾，所在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中把測(cè)算周期的精度提高了，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)算精度也有所改進(jìn)高。八段段碼 LED 顯示器的共陽(yáng)端接 +5V，陰端分別接 PC0~PC7，選通端1~4 和四個(gè)反向器相連接由單片機(jī) PA0~PA3 控制（圖 410）。在本課題中運(yùn)用 74HC04 將單片機(jī)和數(shù)碼管相連接。 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 DisLED送出一位顯示先點(diǎn)亮最右邊的LED送位控制信號(hào)取顯示數(shù)據(jù)指向顯示緩沖區(qū)末地址延時(shí) 1ms指向下一緩沖單元位控信號(hào)左移一位查表取字形碼返回第一位顯示最左一位？ YN 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 圖 49 LED 動(dòng)態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)（如圖 49）。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)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(gè)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(dú)立的 I/O 線(xiàn)控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來(lái)驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)。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(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線(xiàn) GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)單片機(jī)單片機(jī) 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 極(COM)的數(shù)碼管，共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM。由于沒(méi)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）。圖 46 AD 轉(zhuǎn)換濾波線(xiàn)路原理圖3. ISP 下載接口設(shè)計(jì)ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件。即這部分不需要任何的外圍零件。習(xí)慣上在 AREF 腳接一只 100pF 的電容到地（C7）。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使?TL431 基準(zhǔn)電壓源。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 10uH 的105/2Vm?電感（L1 ），然后接一只 100pF 的電容到地（C6）。2. AD 轉(zhuǎn)換濾波線(xiàn)路的設(shè)計(jì)為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16 芯片有獨(dú)立的 AD 電源供電。Mega 系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過(guò)，內(nèi)置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時(shí)，建議使用外部的晶振線(xiàn)路。當(dāng) AVR 在工作時(shí)，按下 S1 開(kāi)關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位（如圖 45）。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故 AVR 外部的復(fù)位線(xiàn)路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)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。下面就單片機(jī)各外圍電路的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)說(shuō)明。響應(yīng)速度快轉(zhuǎn)化精度高，滿(mǎn)足合計(jì)需求。在本課題研究過(guò)程中選用 ATmega16 單片機(jī)作為信號(hào)的處理器，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)自帶時(shí)鐘模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。通過(guò)將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，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。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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。當(dāng)擺盤(pán)擺動(dòng)時(shí)，光照射在黑線(xiàn)上，光電池會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的周期電壓變化，對(duì)電壓信號(hào)用 LM324 進(jìn)行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)中如圖 44 所示，光電池信號(hào)從接口端進(jìn)入，輸 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 出端接到單片機(jī)上帶 A/D 功能的端口，其中一個(gè)放大電路為備用電路。為此設(shè)計(jì)了兩級(jí)放大電路：由放大電路計(jì)算公式： （41）得到： 得到兩級(jí)放大后倍數(shù)約為 48 倍，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)放大電路時(shí)要求每級(jí)放大電路不超過(guò) 15 倍，否則放大效果將會(huì)受到影響。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。放大調(diào)理電路的作用是把傳感器傳來(lái)的開(kāi)關(guān)信號(hào)處理成微處理器要求的電壓值, 并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸, 提高了信號(hào)的抗干擾能力以及設(shè)備的靈敏度。我們采用以下程序使光電計(jì)數(shù)器除了具有普通計(jì)數(shù)器的功能以外，還能實(shí)時(shí)顯示被測(cè)三線(xiàn)擺的旋轉(zhuǎn)周期。其中接口電路包括單片機(jī)的讀寫(xiě)電路、電源接口和對(duì)外設(shè)的供電接口。在測(cè)量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測(cè)量時(shí)，這兩部分可以分開(kāi)并遠(yuǎn)離設(shè)置在安全場(chǎng)所，便于遠(yuǎn)程控制和操作，其總體框圖如圖 43 所示。信號(hào)處理單元可以處理多路傳感器送來(lái)的信號(hào)?？紤]到本課題的設(shè)計(jì)要求不改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)所以采用反射式。另外, 光電池在光強(qiáng)為 20lx 時(shí)即可輸出穩(wěn)定的電壓。光電元件可以在圖中上下虛線(xiàn)之間安裝, 約有70176。反射式傳感器中的光電元件接收的是反射光，因此輸出的電流小于遮光式，且被測(cè)物距傳感器端面的距離及其材質(zhì)、形狀等對(duì)檢測(cè) 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 精度和靈敏度影響很大其響應(yīng)上升下降時(shí)間為 20ns。光電池在安裝過(guò)程中有兩種方式：遮光式和反射式。非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢(shì)及電流穩(wěn)定（純正的直流） , 受外界溫度及環(huán)境變化影響小，可以作為恒定的直流電源。圖41 非晶硅(或硒)光電池的光電特性非晶硅(或硒)自身原子的無(wú)序性排列,使它盡可能少地減小光能損失, 從而最大限度地提高光電池的效率, 具有多方向的良好光電特性。開(kāi)路電壓與光照度之間呈非線(xiàn)性關(guān)系，照度大于 1000lx 時(shí)呈現(xiàn)飽和特性，但其靈敏度很高。由于光產(chǎn)生的非平衡載流子向相反方向漂移, 從而在其內(nèi)部形成自 n 區(qū)向 p 區(qū)的光生電流, 只要光照停止, pn 結(jié)就可以起到電源的作用 [9]。 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 開(kāi) 路 電 壓短 路 電 壓光生電流（ mA） 光生電流（ mA）照 度 （ lx）第 4 章 光電池工作原理當(dāng)光照射到光電池的表面時(shí)，光能被吸收，在 pn 結(jié)上產(chǎn)生電子空穴