【正文】 可(R14)為了可靠，再加上一只 22pF 的電容(C3)以消除干擾、雜波。下面就單片機各外圍電路的設計作簡要的設計說明。響應速度快轉化精度高，滿足合計需求。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)轉化模塊。通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內可編程的 Flash 集成在一個芯片內，ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應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時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。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。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 進行放大調理，將調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?shù)?4 章 電氣系統(tǒng)原理和設計3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。為此設計了兩級放大電路：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，滿足設計要求。設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。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算放大器的場合。放大調理電路的作用是把傳感器傳來的開關信號處理成微處理器要求的電壓值, 并進行遠距離傳輸, 提高了信號的抗干擾能力以及設備的靈敏度。我們采用以下程序使光電計數(shù)器除了具有普通計數(shù)器的功能以外，還能實時顯示被測三線擺的旋轉周期。其中接口電路包括單片機的讀寫電路、電源接口和對外設的供電接口。在測量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測量時，這兩部分可以分開并遠離設置在安全場所，便于遠程控制和操作，其總體框圖如圖 43 所示。信號處理單元可以處理多路傳感器送來的信號?？紤]到本課題的設計要求不改變原有的實驗平臺所以采用反射式。另外, 光電池在光強為 20lx 時即可輸出穩(wěn)定的電壓。光電元件可以在圖中上下虛線之間安裝, 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，且被測物距傳感器端面的距離及其材質、形狀等對檢測第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設計1精度和靈敏度影響很大其響應上升下降時間為 20ns。光電池在安裝過程中有兩種方式：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，產生的電勢及電流穩(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。開路電壓與光照度之間呈非線性關系，照度大于 1000lx 時呈現(xiàn)飽和特性，但其靈敏度很高。由于光產生的非平衡載流子向相反方向漂移, 從而在其內部形成自 n 區(qū)向 p 區(qū)的光生電流, 只要光照停止, pn 結就可以起到電源的作用 [9]。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文0開 路 電 壓短 路 電 壓光生電流（ mA） 光生電流（ mA）照 度 （ lx）第 4 章 光電池工作原理當光照射到光電池的表面時，光能被吸收，在 pn 結上產生電子空穴對,在內建靜電場的作用下各自向相反的方向運動， 結果使 p 區(qū)電勢升高，n 區(qū)電勢降低，pn 結形成光生電動勢。主體結構包??括：將實驗裝置固定于實驗平臺的 V 型爪；X、Y 方向絲桿移動調節(jié)導軌，要求移動時調節(jié)精度≤，所以在設計中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對裝置進行調節(jié)；三線擺擺盤中心定位錐，定位錐通過套筒和測量平臺連接可以在里面旋轉；Z 方向為高度調節(jié)精度小于等于 ；三線擺擺盤夾頭部分可以圍繞擺盤中心旋轉，旋轉 5176。的問題。為此設計出了一套可以在 X、Y 、Z 三方向上移動的測試機構。同時該試驗臺有多個擺盤，要求所設計的實驗輔助裝置能進行移動，以便測算其他擺盤物件上的轉動慣量。 機械系統(tǒng)方案本課題的研究設計是基于 ZME1 型理論力學多功能實驗臺進行的，在設計光感信號采集裝置 單片機信號放大器LED周期顯示激光發(fā)射裝置“三線擺”擺盤電磁鐵執(zhí)行件第 3 章 測試裝置設計11的過程當中必須考慮到現(xiàn)有設備的局限性，從而進行合理的改進。圖 32 “三線擺”實驗輔助裝置電系統(tǒng)設計流程圖選用電磁鐵作為本裝置執(zhí)行器件，通過電源的開關可以在沒有直接接觸到測量平臺的前提下實現(xiàn)對整個裝置測量控制。所以本課題選用了光電池反射式轉動信號采集方式。測量方法為非接觸式，相比于接觸式的測量方式在本設計中主要的優(yōu)點：測裝置的現(xiàn)有運動狀況；。本課題的設計過程中用到了激光器，使用激光器的目的是為了在實驗過程中增大光電池所接收到的光強變化。4. 采用霍爾元件對周期進行測量，這種測量方式要在擺盤上附加一塊磁性物質，這樣會改變真?zhèn)€裝置的轉動慣量，這也會給實驗帶來很大的誤差。實驗臺立柱V 形爪X 移動軸Y 移動軸 Z 移動軸夾爪河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文103. 加速度傳感器，在擺盤旋轉時，其加速度會發(fā)生改變，所以某種程度上說是可以采用加速度傳感器作為實驗的傳感裝置，但是由于加速度傳感器會直接與所需測量的裝置發(fā)生接觸。下面就各個傳感器特性作簡要介紹：1. 光敏電阻隨著光線的強弱，電阻值變化，但是其響應速度慢，而擺盤擺動相對較快，所以不選用光敏電阻作為測量器件。在安裝方式上也有很多種包括：接觸式和非接觸式等。 電氣系統(tǒng)方案在“三線擺”法測轉動慣量的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，所以在實驗過程中把周期的精度測算的越高，其轉動慣量的測算精度也將越高。機械結構部分設計了一套可以通過調節(jié)蝶型螺母讓實驗裝置能在 X、Y 、Z方向上進行移動調整定位的實驗裝置。其測量系統(tǒng)結構如下圖 31 所示。為了實現(xiàn)上述目的，本課題的技術方案是：“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調節(jié)機構、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應機構、信號處理裝置。所設計的裝置要求1. 移動范圍 X 方向上可以自由的移動范圍為： 0~40 mm；Y 方向上可以自由的移動范圍為：0~40 mm；Z 方向上可自由移動的范圍為：0~20mm；2. 定位精度≤；3. 信號采集時間響應時間小于 20ms。為此，后續(xù)方案的設計將著手于周期信號的自動采集，解決三線擺擺盤轉角為 5176。擺線是否水平是實驗平臺自身的局限導致，需要用水平尺進行調節(jié)。因此想要提高三線擺測慣量的精度我們就必須從以上五方面著手。其中包括：；；； 6176。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文8第 3 章 測試裝置設計 測試裝置技術要求通過 節(jié)對原轉動慣量測量方法的分析，可以知道需要改進的地方有周期信號的采集方式和圓盤轉動角度的控制方式。綜上所述，用線擺法測試物體轉動慣量，存在著影響擺動周期和轉動角度的人為因素，進而嚴重影響了轉動慣量的測試精度。雖然擺角限值不要求相當小，但是，為保證圓盤做線性振動，則還是應使圓盤轉動角度控制在 6 度以內。畢竟在測量過程中，測量者是靠肉眼來觀察圓盤擺動的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，而且測量者靠手動來控制秒表的開始與結束，即按表時刻與圓盤擺動起始時刻不可能同步，存在一個時間差，這也是手動測量時不可避免的，而最終導致的結果就是測量出來的周期值存在人為誤差。但是，該方法仍然存在一些不足之處。因此在實驗教學中往往采用“三線擺”法測轉動慣量的方法。 各種測算方法分析通過上述 4 種轉動慣量的測試方法分析可得出以下結論：第一種計算方法在測算復雜不規(guī)則物體的轉動慣量時這種方法不適用，而日常工程中所需測算的轉動慣量往往也是不規(guī)則的；第二種三維建模計算的方法需要借助軟件工作，雖然結果比較準確，但是在????????????????????2201mdJ第 2 章 轉動慣量的運用研究與測量7運用過程中，所需測算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復雜的，繪圖工作量巨大。 (25)測量與兩個圓柱等重的電磁鐵的扭振周期 T(s)，應用（兩圓柱在不同距離時所測周期及所求轉動慣量）數(shù)據(jù)表及插入法，求得電磁鐵的轉動慣量 J0(kg(a) (b)圖 23 兩個等效的三線擺而要使兩個圓盤上物體的轉動周期完全一致，這一問題難以實現(xiàn)，因此可以先測出左邊圓盤的轉動周期，然后調節(jié)右邊圓盤上兩個圓柱體之間的距離，測量不同距離時圓盤的轉動周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉周期相同的兩個圓柱體的周期。2lJMR?河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院6因為(a)、(b)圓盤上的物體重量完全相等，根據(jù)線擺法的等效原理，如果它們的扭轉振動周期也相同的話，那么它們的轉動慣量是相等的。在確定出誤差最小的擺線長度后，就可以測量電磁鐵的轉動慣量了。而不同的線長將導致實驗測得的圓盤轉動慣量值不同，所以找到測量誤差最小時的線長 l 也是該實驗階段的重點部分。測得扭轉振動周期 T 代入計算公式，即得轉動慣量，此式與理論上的精確公式： (24)比較，就得到了誤差。 設圓盤最大轉動角為 ，當圓盤轉動角為 時， m??由圖示幾何關系： 22 三線擺示意圖maxax,rll??圓盤扭轉振動時最大動能為： 2max02max0max11???nJdtJT????????202020221()r???????第 2 章 轉動慣量的運用研究與測量5圓盤扭轉振動時最大勢能為： ∵ ， tn??simax?maxax?nd???????∴ ??2max2ama 1co1?lrMglMglU?對于保守系統(tǒng)： maxaT?得圓盤振動的固有圓頻率或固有頻率： lJMgrn022?? lfn021?則轉動慣量 (注意不是 R)。4. “三線擺”法測慣量方法分析本課題所涉及“三線擺”法測轉動慣量計算公式：下面將就該公式的推導過程進行說明。設 A 與 O 距離 r1，B 與 O 相距為 r2，如待測物質量 M1 相對質心軸 Z1 的轉動慣量為 J1，通過兩次測定便知 M1，J 1。欲測量物體對過其質心軸Z1 某軸的轉動慣量 J1，將該物體質心過 Z 軸，且使 Z 軸和 Z1 軸重合，設動鼠質量為 m，平衡質量亦為 m，暫略系桿質量，使鼠沿圓周跑動，設動鼠轉過的圓心角為 φ，則動盤反向轉動的角 θ 為： 從而可求得：若考慮系桿的質量，設動鼠系統(tǒng)對 Z 軸轉動慣量為 JO，且動鼠相對靜系轉過角度為 φ O，則有 φ=φ O+θ，于是測量的 J1 為： （210010()J???????）對于偏置待測物體，Z 1 軸過 O 可測出。圖 21 慣量測試儀實驗裝置結構圖上層為工作臺，其上刻有同心圓線，下層為動盤，動鼠在其上跑動，系桿與軸 Z 以滑動軸承連接。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。轉動慣量嚴格定義是一個物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉動中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉動慣量：K=mr 2。慣性積：構件中各質點或質量單元的質量與其到兩個相互垂直平面的距離之第 2 章 轉動慣量的運用研究與測量3AB工 作 臺系 桿 動 鼠平 衡 重21mrJ???? 21()mJrJ????乘積的總和。慣性主軸的定義：定義 1：三條相互垂直的坐標軸，其中構件慣性積等于零的某一坐標軸。用三維建模軟件計算轉動慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：1）慣性主軸和慣性力矩，由重心決定；2）由重心決定，并且對齊輸出的坐標系。而對于三維空間中對于一般直線甚至連平行于坐標軸的直線的轉動慣量都沒有給出計算方法。由密度不同的材料組成，且形狀不規(guī)則，需要用實驗的方法測試出其轉動慣量。掌握轉動慣量的概念和如何測定剛體的轉動慣量是十分重要的。所以必須對軸的轉動慣量進行計算，進而確定準確的飛輪矩，以保證驅動機與壓縮機不在危險的范圍內運轉，并保證滿足一定的轉速不均勻度與電流波動值的要求 [6]。另外，在進行實驗評價時,為檢驗理論分析時所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進行比較時, 都要求高精度地測量這些特性參數(shù) [5]。這些參數(shù)以及車輛的質心位置對汽車的安全性、平穩(wěn)性和平順性有很大影響。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的 ω的基礎上，突然增大 R，這樣線速度 V 增加，從而獲得大的揮臂速度。雖然在分析動作時，并不一定要用轉動慣量的準確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢時轉動慣量的差別仍是必要的。2. 人體轉動慣量在體育中的應用實際上現(xiàn)實的物體是有大小的，它的質量不可能集中于一點，而是分布在物體的各點上，各點到轉動軸的距離又不相同。而轉動慣量不考慮車過彎的速度，只考慮質量和旋轉半徑。1. 轉動慣量在車