【正文】 ，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。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。 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。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(dá)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。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]。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。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。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。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(jìn)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(jìn)行采集。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。在實驗室條件下測的光電池在激光照射到黑線的時候會產(chǎn)生50mV以上的電壓，要將采集到的信號進(jìn)行放大才能讓單片機接收到。1. LM324介紹及運用LM324內(nèi)部包括有4個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)牡凸β蔬\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。 信號采集模塊光電計數(shù)器的檢測部分由光電池構(gòu)成的光電物位傳感器和放大調(diào)理電路組成。實現(xiàn)了人機對話等功能。信號處理部分檢測部分單片機控制線被測物體放大調(diào)理電路光電池傳感器顯示器圖43單片機光電計數(shù)器總體框圖光電池傳感器周期顯示處理系統(tǒng)由AVR系列ATmega16微處理器芯片作為應(yīng)用系統(tǒng)其中還包括：LED 顯示器、按鍵電路和接口電路。這兩部分可以集成在一起形成一個整體，封裝在一個表殼內(nèi)。a 遮光式 1 2 3 1 2 3b 反射式 4 4圖42 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構(gòu) 單片機控制光電池計數(shù)原理單片機控制光電計數(shù)器按其功能可劃分為兩個部分，即檢測部分和信號處理單元。也就是說, 確定光強, 就可得到可靠的開關(guān)信號, 這樣大大降低了傳感器的安裝條件、被測物的通道寬度要求, 從而擴大了光電計數(shù)器的使用范圍。的安裝偏移范圍。由于前面介紹的非晶硅光電池具有高靈敏性, 因此, 它對傳感器的安裝位置要求相對來講較低, 如圖42所示。遮光式傳感器的主要缺點是響應(yīng)速度慢、信噪比低。此外，非晶硅（或硒）光電池的使用壽命較長，一般壽命都在10年以上。因此, 在下面放置光敏元件位置處均采用的是非晶硅（或硒）光電池。由實驗可知，光電流的負(fù)載阻越小，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍更寬。圖41示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線。這就是pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。后釋放擺盤（裝置整體結(jié)構(gòu)詳見附錄2）。X、Y方向可以20mm移動，Z方向上可進(jìn)行10mm的移動。并且能實現(xiàn)實測設(shè)平臺的對中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。經(jīng)過分析論證，該試驗臺的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗臺的立柱上，而且要具有可調(diào)節(jié)性。原有實驗平臺為理論力學(xué)多功能實驗臺，在設(shè)計過程中要求不能對整個試驗臺進(jìn)行任何改動，以免影響到其他實驗的操作。在電路的設(shè)計過程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整個電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。周期測算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖32所示。 在設(shè)計的時候要滿足不改變原有測試平臺極其附屬部件，以及測試過程中要求響應(yīng)速度快。選用的激光器所產(chǎn)生光的波長為650nm，光電池所能接收到的范圍為400~1100nm，在其感應(yīng)范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計需求。5. 用光電池測量周期，查閱本課題研究所用到西門子公司生產(chǎn)的SFH206K該光電池響應(yīng)速度快可達(dá)20ns，靈敏度高（光照強度為1000lx，感應(yīng)電壓大于310mV），所以適合用于本實驗的傳感測量裝置。這樣的操作會造成很大的誤差所以不能采用。2. 光敏三極管是利用外照光線的變化，來實現(xiàn)控制電路的通或斷，光敏三極管受外界干擾較大，且在安裝過程中要求很高，所以不采用該器件。本課題所研究的“三線擺”法測慣量的實驗輔助裝置，要求能自動測算擺盤的擺動周期，這就決定了實驗中必須要使用傳感器，上述提到了很多可以選用的傳感器。測算擺盤轉(zhuǎn)動周期時，有很多傳感器可以使用：光敏電阻、光敏三極管、霍爾元件、加速度傳感器光電池等。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進(jìn)行移動。夾爪V形爪實驗臺立柱X移動軸Y移動軸Z移動軸圖31 非接觸式測量系統(tǒng)硬件平臺搭建示意圖電系統(tǒng)部分設(shè)計一套非接觸式的測量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的周期信號的裝置，然后對信號進(jìn)行處理，輸出顯示周期?？傮w上可分為兩個部分，電系統(tǒng)部分和機械結(jié)構(gòu)部分。 總體方案設(shè)計本課題主要是為了提高“三線擺”法測慣量實驗數(shù)據(jù)的精度而設(shè)計的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進(jìn)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(jìn)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。的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題。本課題的主要研究方向是解決后面三點給實驗帶來的誤差，所以設(shè)計可以采集擺盤轉(zhuǎn)動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關(guān)鍵點?？諝庾枇κ窃趯嶒炇抑袦y量不可避免的。；?！叭€擺”法測慣量的實驗過程中由于實驗裝置本身不足和人為操作所帶來的影響。鑒于此，迫切需要設(shè)計出精度更高的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)。而在該方法中仍是靠測量者人為控制圓盤的轉(zhuǎn)動角度，那么將無法使精度得到保證。另外，對通常“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗裝置，擺動時平動動能被忽略是與擺角大小無關(guān)的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)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(dāng)小[8]。首先，在測量時采用秒表來記錄時間，人為因素影響很大。盡管用線擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，有一定的實用性。第三種動鼠沿圓周運動測轉(zhuǎn)動慣量需借助一個復(fù)雜的設(shè)備且測算精度并不是很高。m2)[7]。如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為S，分別測出各S的扭轉(zhuǎn)振動周期，兩個圓柱對中心軸轉(zhuǎn)動慣量可按公式(25)進(jìn)行計算。(b)盤上圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量是可以計算的，兩邊圓盤的轉(zhuǎn)動周期都是可以測量的，這樣把計算和測量結(jié)合起來，就可以獲得電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量。如圖23所示，先將兩個三線擺盤調(diào)至測量誤差最小時的位置，(a)盤上放置待測電磁鐵，讓盤心與電磁鐵轉(zhuǎn)動中心重合；(b)盤放置二個帶有強磁性的圓柱體，它們在圓盤上的位置S是可以調(diào)節(jié)的，此兩圓柱體合起來的重量應(yīng)等同于電磁鐵重量。因為對應(yīng)不同的擺線長，測得的轉(zhuǎn)動慣量值不一樣，那么其誤差也不一樣，通過上面的實驗可以找到對應(yīng)誤差最小的擺線長。從計算公式(24)中可以看出，要求得圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要知道線長l。對于一個均質(zhì)圓盤用三根平行線懸吊后，給一個初始扭轉(zhuǎn)角小于6176。J0—對圓盤中心的轉(zhuǎn)動慣量；T —擺動圓盤的周期；L —線長；M —圓盤質(zhì)量；g —重力加速度；r —線與圓盤固結(jié)點的半徑； R —圓盤半徑。先使Z1過A有φ01，θ1，則有： （23）其中，J0是動鼠系統(tǒng)對Z 軸的轉(zhuǎn)動慣量，J是動盤系統(tǒng)對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量，φ0i是動鼠系統(tǒng)相對靜系的轉(zhuǎn)角，θi是動盤系統(tǒng)相對靜系的轉(zhuǎn)角。J11=J1若其過A，注意A與O點相距為r1，測時使待測物與工作臺緊貼，可測出： （22）理論值應(yīng)為J12=J11+r12M1，其中M1為待測物質(zhì)量，這里應(yīng)用平行移軸公式， 若采取Z1軸過O，A，B 等不同的點可測出θi，φ0i通過一組代數(shù)方程組便可計算出M1與J1。鼠在半徑為r的圓周上運動。3. 動鼠沿圓周運動測轉(zhuǎn)動慣量設(shè)有一可繞鉛垂軸自由轉(zhuǎn)動的雙層圓盤，其對Z 軸的轉(zhuǎn)動慣量為J，如圖21 所示。俗稱慣性矩。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動慣量。定義2：對通過物體一給定點的每組笛卡爾坐標(biāo)軸，該物體的三個慣性積通常不等于零，若對于某一上述的坐標(biāo)軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標(biāo)軸稱為主慣性軸。3）由輸出座標(biāo)系決定。本文根據(jù)數(shù)學(xué)分析和解析幾何的相關(guān)知識, 應(yīng)用微元法給出空間中的質(zhì)量曲線S和質(zhì)量立體V對任意直線l的轉(zhuǎn)動慣量的計算方法。2. 三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量是物理學(xué)及工程力學(xué)中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學(xué)分析教材中僅給出了三維空間中的質(zhì)量物體V對三個坐標(biāo)軸(X軸，Y軸，Z軸) 的轉(zhuǎn)動慣量的計算方法。一些常見勻質(zhì)規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可查工程手冊，但一些不規(guī)則形狀和非均質(zhì)的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量是很難計算，一般需要用實驗方法求得。1. 直接代數(shù)計算法剛體轉(zhuǎn)動慣量永遠(yuǎn)是一個正的標(biāo)量，在動量矩定理中，剛體定軸轉(zhuǎn)動微分方程可以表達(dá)為：Jza=Mz，這與動力學(xué)基本方程F=ma是相似的，式中，轉(zhuǎn)動慣量的地位與質(zhì)量m相當(dāng)。4. 轉(zhuǎn)動慣量對活塞壓縮機驅(qū)動電機主軸的重要性近代壓縮機對振動的控制要求日益嚴(yán)格，對于大中型壓縮機，軸系的扭轉(zhuǎn)振動以為外國公司列為計算項目之一，正常情況下，壓縮機應(yīng)該在共振區(qū)之外運行，如果在共振區(qū)中運行，軸將產(chǎn)生很大振幅，以致在軸段中引起足以損壞軸的附加應(yīng)力。在新車設(shè)計時, 必須運用這些特性參數(shù),通過動力學(xué)模型來預(yù)測車輛的動力學(xué)性能。3. 汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量是指汽車空車整備質(zhì)量狀態(tài)下的橫擺轉(zhuǎn)動慣量、俯仰轉(zhuǎn)動慣量和側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量，按照汽車坐標(biāo)系，這三軸轉(zhuǎn)動慣量分別是繞質(zhì)心Z軸、繞質(zhì)心Y 軸和繞質(zhì)心X軸的轉(zhuǎn)動慣量。 例如，在扣排球時，由引臂開始，R減小，角速度ω增加。這樣一來，就應(yīng)該運用公式把每一點的轉(zhuǎn)動慣量算出，然后再相加，這樣才能得到整個物體的轉(zhuǎn)動慣量。所以后半段特別是在快出彎時，由于輪胎持續(xù)打滑所以不能獲得足夠向前的加速度，漂移出彎不如抓地出彎[4]。不僅漂移過彎需要算到轉(zhuǎn)動慣量，抓地過彎也要算到轉(zhuǎn)動慣量：如果把車看成是剛體的話，那剛體在合外力矩M的作用下，所獲得的角加速度與合外力矩大小成正比，與轉(zhuǎn)動慣量J成反比。下面簡單介紹轉(zhuǎn)動慣量在各個方面的運用。 4）之所以利于分析，是因為包含了一個物體的所有轉(zhuǎn)動信息，因為轉(zhuǎn)動慣量本身就是一種積分得到的數(shù)，更細(xì)一些講就是綜合了轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動不變的信息的等效結(jié)果（這里的K和上面的J一樣）。 2）之所以用難以分析轉(zhuǎn)動物體的問題，是因為其中不包含轉(zhuǎn)動物體的任何轉(zhuǎn)動信息。 這樣分析一個轉(zhuǎn)動問題就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只從純運動角度分析轉(zhuǎn)動問題。首先需要引出動能公式,而動能的實際物理意義是：物體相對某個系統(tǒng)（選定一個參考系）運動的實際能量，（P勢能實際意義則是物體相對某個系統(tǒng)運動的可能轉(zhuǎn)化為運動的實際能量的大?。?。M]，在SI單位制中，它的單位是kg描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于該剛體對同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動慣量加上該剛體的質(zhì)量同兩軸間距離平方的乘積，公式為,由于和式的第二項md恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)動慣量中的最小者[3]。不規(guī)則剛體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動慣量，一般用實驗法測定。轉(zhuǎn)動慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，而同剛體繞軸的轉(zhuǎn)動狀態(tài)（如角速度的大小）無關(guān)。通過公式或可以知道，轉(zhuǎn)動慣量的大小由物體的質(zhì)量、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置三個因素來決定。該設(shè)計準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實驗測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。作為一種更加精確的測試方式，本文設(shè)計的物體轉(zhuǎn)動慣量自動測試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動慣量測試手段，在工程設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測量方式。 就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測轉(zhuǎn)動慣量的實驗改進(jìn)方法，通過研究誤差產(chǎn)生的原因、影響以及避免或者減小的方法，設(shè)計一套可以有效運用于“三線擺”法測慣量的試驗平臺上，提高實驗數(shù)據(jù)精度的裝置。信號（主要是指三線擺轉(zhuǎn)動的周期信號）采集方案的設(shè)計是本文研究的核心部分。作為整個設(shè)計流程的前提，方案的選取決定著設(shè)計的方向，例如測量物體轉(zhuǎn)動慣量的方式可以是機械式的，電控式的等等，這就決定了以后設(shè)計的方向是純機械的、純電控的或者機電結(jié)合的。那么在設(shè)計過程中就要考慮到許多實際的問題，其中包括測量方案的選定、相關(guān)硬件的設(shè)計以及測量數(shù)據(jù)的處理等。；4. 轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動；5. 空氣阻力[2]。上述兩種方法也是目前大部分學(xué)者所研究的方向，方法雖然各異,但是都具有共同目標(biāo)，就是減小實驗中的誤差，以提高實驗結(jié)果的精確度。2009年東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心劉昶提出了由加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取三線擺圓盤切向加速度的時間歷程信號，通過測算以得到三線擺的周期信號。2011年海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實驗部理化實驗中心張勇提出了運用剛體轉(zhuǎn)動慣量疊加原理，對三