【正文】 作用[9]。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。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。非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應，產(chǎn)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。光電池在安裝過程中有兩種方式：遮光式和反射式。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(zhì)、形狀等對檢測精度和靈敏度影響很大其響應上升下降時間為20ns。光電元件可以在圖中上下虛線之間安裝, 約有70176。另外, 光電池在光強為20lx 時即可輸出穩(wěn)定的電壓?？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。信號處理單元可以處理多路傳感器送來的信號。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。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。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(zhuǎn)周期。放大調(diào)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。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。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。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。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。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。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。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用提供了靈活而低成本的解決方案。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。響應速度快轉(zhuǎn)化精度高，滿足合計需求。下面就單片機各外圍電路的設計作簡要的設計說明。并且在熔絲位里，可以控制復位時的額外時間，故AVR外部的復位線路在上電時，可以設計得很簡單：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。當AVR在工作時，按下S1開關時，復位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復位（如圖45）。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。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。2. AD轉(zhuǎn)換濾波線路的設計為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16芯片有獨立的AD電源供電。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。習慣上在AREF腳接一只100pF的電容到地（C7）。即這部分不需要任何的外圍零件。單片機圖46 AD轉(zhuǎn)換濾波線路原理圖3. ISP下載接口設計ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。由于沒有外圍零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾（圖47）。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)碼管在應用時應將公共極COM。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)碼管在應用時應將公共極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，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(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。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應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。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（如圖49）。 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。在本課題中運用74HC04將單片機和數(shù)碼管相連接。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）。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。對此設計出供電模塊。電磁鐵所用24V電壓直接從平臺供電處引出。5V，12V，還有可調(diào)整輸出的型號。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。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，還包括外部的關斷電路，特征有50（典型值）待機電流。5V供電電源電路設計如下圖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。在LM2576的2端口分別連上電容C10（100uF）和C11（1000uF）接地。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、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。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。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定的。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)的銅材半導體激光管，其額定功率為5mW。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)到光電池感應到的強度超過50mV為止（如圖413）。設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)。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm其整體結構簡圖如圖51所示：實驗臺立柱電磁鐵 Z方向 X方向Y方向 圖51 裝置機械結構整體結構裝配圖 設計流程本課題的主要是為了設計針對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，設計加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置。2. 所設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。4. 所設計裝置不能改變原有的實驗平臺。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。為了實現(xiàn)圓盤轉(zhuǎn)動角度6176。圓盤的扭轉(zhuǎn)及夾緊（放松）分別由釋放機構和夾頭控制，夾頭部分和電磁鐵相連接，通過控制電磁鐵的通斷來控制夾頭的張合。 釋放機構設計釋放機構主要是由電磁鐵控制夾頭對擺盤的抓取和釋放，如圖53所示，該圖表示電磁鐵和夾頭之間的連接。圖53 釋放機構實物圖本課題設計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。安裝尺寸：202637mm?？蚣苁诫姶盆F工作過程為：當接入24V直流電源時產(chǎn)生電流，通電螺線管會產(chǎn)生磁通吸引可動鐵芯，從而實現(xiàn)電磁鐵的移動。由于電磁鐵為純電控執(zhí)行器件，所以常作為自動化設備的執(zhí)行元件之用途如圖54所示。通電后電磁鐵向后收縮10mm，此時，兩個夾頭分別向圓盤中心位置處移動5mm，從而使夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。其工作過程如圖55所示。在弧形夾頭板件上面有兩塊帶有弧度的夾爪頭，此夾爪頭圓弧所對應的直徑為100mm，與“三線擺”實驗裝置的擺盤直徑相同，此設計的目的是為了讓夾頭在夾取的時候能夠更加穩(wěn)定。當電磁鐵有電流通過時，電磁鐵往后收縮，兩個爪頭向中間靠攏，抓住擺盤。 定位移動裝置的設計在本課題所述輔助測量裝置平臺調(diào)節(jié)機構部分，通過調(diào)節(jié)蝶形螺母由絲桿副組成的移動副能實現(xiàn)整個測量裝置在給定范圍內(nèi)水平移動，在對中裝置的下方同樣裝有絲桿機構，能在上下方向上移動。考慮到本課題所需設計的實驗輔助裝置的調(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構又稱螺旋傳動機構。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；也有以傳遞運動為主的如機床工作臺的進給絲杠)；還有調(diào)整零件之問相對位置的螺旋傳動機構等。滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜、制造成本高，不能自鎖，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％～98％)，精度高，系統(tǒng)剛度好，運動具有可逆性，使用壽命長，因此在機電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應用[12]。在絲杠的水平方向上各設計安裝了了一根導軌，導軌中有一鍵槽和55mm鍵槽緊配合。X方向?qū)蜉S座上有螺紋孔當裝置調(diào)節(jié)到指定位置時，上緊螺栓使整個裝置相對穩(wěn)定，移動端用四個螺母兩兩并死固定于測試平臺兩端如圖56所示。圖56b 滑動絲杠螺母移動裝置X:175mmY:圖57 “三線擺”和兩立柱之間位置關系俯視圖所設計的實驗輔助裝置要求在空間內(nèi)可以自由移動（如圖57），并且能滿足實驗測試的要求，由于實驗平臺自身在空間上的位置相對比較固定，所以在設計過程中移動位置可以比較小，這不僅方便安裝調(diào)試，還節(jié)約了成本。20mm；Y方向上的移動范圍為：200177。10mm。使用時先調(diào)節(jié)X方向的位置，然后調(diào)節(jié)Y方向的位置，最后調(diào)節(jié)Z方向的位置，直至定位裝置到達指定位置時停止調(diào)節(jié)。其具體結構如圖58所示。安裝調(diào)試時，保證定位錐位于擺盤的圓心處，相距3~5mm。然后開始計算周期。這個值。旋轉(zhuǎn)平臺支座 測試平臺圖59 “三線擺”控制擺角的虛線位置“三線擺”法測慣量時要求擺盤對中裝置部分主要由一個定位錐，該定位錐位于測量平臺的中心，其他測量裝置和夾頭部分均分布在其徑向部分，都可以繞其旋轉(zhuǎn)。實驗前在實驗輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺的支座上放置量角器，放置好后旋轉(zhuǎn)實驗平臺當旋轉(zhuǎn)到5176。畫好此虛線（用鐵筆畫細長的線）如圖59所示，在以后實驗過程中旋轉(zhuǎn)實驗平臺至虛線位置處就說明旋轉(zhuǎn)到位，可以進行實驗。本節(jié)主要講的是激光器和光電池的安裝。其中定位錐上有螺紋所以激光座下的橫梁可以通過螺紋連接固定于實驗裝置之上，在激光座上方有一個螺紋孔，是為了固定激光器的位置是可以加上螺栓擰緊。激光器發(fā)出亮光照射在“三線擺”擺盤的側(cè)面，在擺盤側(cè)面畫一條約2mm的黑線，光電池與激光器放置于同側(cè)，當“三線擺”轉(zhuǎn)動時激光照射在擺盤非黑線位置上，光電池能接收到較強的光信號，當照射到黑線時接收到信號會大大減弱。下面就這兩部分做簡單概述。圖511a 連接實驗平臺V型爪實物圖圖 511b型爪結構圖示意圖上述V型爪是有兩個半片組成，中堅有一顆銷釘將兩個活頁連接在一起。通過上緊螺栓使整個實驗裝置能穩(wěn)定的固定于要測試的平臺之上。所以該實驗裝置在不論是在教學實驗過程還是實際工程測量中都具有很重要現(xiàn)實使用價值。準確度高，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（如圖512）。在放置的時候讓對中錐的尖端離“三線擺”擺盤的距離在2~5mm，此時上緊兩活葉之間的固定螺栓，使整個實驗裝置能牢牢的固定在實驗平臺的立柱上面。1. 調(diào)節(jié)裝置位置，使定位錐位于擺盤的圓心下方。3. 觀察三線擺擺盤部分是否能很好的被擺盤夾頭部分夾住，如若不能則調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)座的螺栓，使得擺盤夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。5. 打開激光座上的激光器，調(diào)節(jié)激光座位置，使激光器發(fā)射出來的光點位于擺盤黑線約35mm處，調(diào)節(jié)激光器的供電電壓，使激光的亮度適中。7. 光電池接收到信號以后經(jīng)過放大處理以后，傳輸?shù)絾纹瑱C中處理，處理的方式有兩種，一種是計數(shù)求周期法，另外一種是頻