【正文】 過(guò) 5V。2. 采集模塊電路圖本課題主要運(yùn)用非晶硅光電池對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，其方法是在三線擺擺盤(pán)上事先畫(huà)出一條黑線，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。+VP圖 44 激光發(fā)射及信號(hào)采集電路 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)ATmega16 單片機(jī)簡(jiǎn)介紹ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。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。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括：C 語(yǔ)言 編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板 [10]。模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊主要特性包括：10 位精度，65260μs 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá) 15kSPS，路復(fù)用的單端輸入通道，可選的左對(duì)齊 ADC 讀數(shù)，0VCC 的 ADC 輸入電壓范圍，可選 為 ADC參考電壓，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，通過(guò)自動(dòng)觸發(fā)中斷源啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換，ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。單片機(jī)河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文4 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)其整體結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見(jiàn)附錄 1 所附的電路原理圖。 1. 復(fù)位電路和晶振電路的設(shè)計(jì)Mega16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。D4 (1N4148)的作用有兩個(gè)：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(shí)，將 R14(100K)電阻短路，讓 C3 快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 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。本課題設(shè)計(jì)中外接一個(gè) 的晶振，早期的 90S 系列，晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。不過(guò)為了線路的規(guī)范化仍然接上。精度為滿足課題所需設(shè)計(jì)要求。單片機(jī)第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)5AVC10uHLpF763829REGNDISPinMOTKJBMega16 內(nèi)帶 標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。不過(guò)一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。應(yīng)用時(shí)，可以將 AVCC 直接接到 VCC， AREF 懸空。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒(méi)有懸空（圖 46）。使用雙排 25 插座。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(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“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(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，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(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感，動(dòng)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。3. 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)74HC04/74HCT04 是六反相器,高速 CMOS 器件，低功耗肖特基的TTL(LSTTL)電路。通過(guò)單片機(jī)連接反向器對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行選通。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文8abcdefgpom2134USR056KΩ7ANHCPWLEB9D 圖 410 顯示系統(tǒng)原理圖圖 411 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在本課題所研究的“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助裝置的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤(pán)的周期，改進(jìn)后采用光電池作為傳感器計(jì)數(shù)，大大提高了實(shí)驗(yàn)的精度。 電源模塊設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)輔助裝置直接引用實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)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，為了調(diào)節(jié)激光器的亮度要求設(shè)計(jì)一個(gè)電壓變化為 ~5V 的可調(diào)電源。通過(guò)電源模塊用到LM2576 轉(zhuǎn)化成直流 5V 給整個(gè)裝置供電。1. 測(cè)量系統(tǒng)供電電路供電電路設(shè)計(jì)LM2576 系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動(dòng) 3A 的負(fù)載調(diào)整能力。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，將其外部電路減到最少，使用簡(jiǎn)便 [11]。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。輸出開(kāi)關(guān)包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下A?提供完全保護(hù)熱關(guān)斷功能。F1 為保險(xiǎn)管當(dāng)負(fù)載過(guò)高或者短路時(shí)保險(xiǎn)管熔斷，保護(hù)電路。LED12 串聯(lián)接上一個(gè)電阻 R39（2K）防止 LED 被燒壞。317 系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如 LM317HVH、W317L 等。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算.(42)僅僅從公式本身看，RR2 的電阻值可以隨意設(shè)定。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文10~3GNDVIAJOUT6LM7Headr +5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(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把 317 燒壞。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。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文0第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在確定了周期信號(hào)的采集方式的情況下，現(xiàn)對(duì)控制圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及釋放圓盤(pán)的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。本課題所設(shè)計(jì)的測(cè)試機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置部分可分為：擺盤(pán)夾取裝置、定位移動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)角定位和計(jì)數(shù)傳感裝置以及其他部分。Y 方向Z 方向X 方向電磁鐵實(shí)驗(yàn)臺(tái)立柱第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1所設(shè)計(jì)的裝置應(yīng)滿足以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：1. 所設(shè)計(jì)裝置在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能有效的減小或者避免改進(jìn)之前實(shí)驗(yàn)人工操作時(shí)所帶來(lái)的誤差。3. 所設(shè)計(jì)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(jì)要求。實(shí)驗(yàn)操作不方便收集“線擺”法測(cè)慣量設(shè)想方案草圖設(shè)計(jì)“三線擺”改進(jìn)裝置機(jī)構(gòu)模擬AutoCAD 工程圖裝配調(diào)試實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置3D 動(dòng)態(tài)模擬YYY Y YN N NNN N N圖 52 機(jī)械設(shè)計(jì)流程圖 擺盤(pán)夾取裝置的設(shè)計(jì)用三線擺測(cè)圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要將圓盤(pán)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，盡管對(duì)于通?！叭€擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)裝置，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)修正，不會(huì)影響“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的測(cè)量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小。爪頭部分由兩內(nèi)徑和擺盤(pán)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(guò)電磁的通斷控制，控制夾頭的張合，可夾住“擺盤(pán)”進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，抓頭上有兩塊厚塑料，其主要功能是防止磨損擺盤(pán)和在夾取的時(shí)候防止讓擺盤(pán)變形。并減小手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的人為誤差，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一?種簡(jiǎn)易機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)該機(jī)構(gòu)夾住圓盤(pán)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)調(diào)整到指定度數(shù)后，再釋放即可令圓盤(pán)作來(lái)回?cái)[動(dòng)。下面是對(duì)該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析。其外形尺寸為：13011510mm。其特性為：容易固定以及連接負(fù)載 溫升穩(wěn)定，可延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命并確保良好性能 E 扣環(huán)及橡皮墊圈使電磁閥靜音運(yùn)作 低磨擦確保高效率并延長(zhǎng)壽命 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易可靠。電磁鐵在通電一段時(shí)間后溫度會(huì)發(fā)生改變，吸力特性也隨著可動(dòng)鐵芯的移動(dòng)發(fā)生著變化。斷電后彈簧復(fù)位，在此過(guò)程中行程 10mm。單次通電工作時(shí)間：1~10s。 圖 54 電磁鐵的實(shí)物圖第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 夾頭設(shè)計(jì)夾頭的功能主要是夾緊及釋放圓盤(pán)，經(jīng)過(guò)分析比較、調(diào)查研究后，決定利用電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，其工作原理在上文中已經(jīng)提到過(guò)。圖 55a 電磁鐵未通電時(shí)狀態(tài) 圖 55b 電磁鐵通電時(shí)狀態(tài) 在上圖中可以看到，本課題所設(shè)計(jì)的夾爪部分是由兩個(gè)弧形的板件通過(guò)螺栓相互鉸接接而成，在螺栓的下方墊有兩個(gè)墊片，且螺栓未擰緊，從而保證了夾頭能夠自由的夾緊和釋放。在兩夾抓的另外一端由一彈簧連接，當(dāng)電磁鐵處于伸長(zhǎng)狀態(tài)下，彈簧產(chǎn)生一個(gè)收縮的力使夾頭的張開(kāi)，以便于測(cè)量的時(shí)候固定擺盤(pán)位置。因?yàn)殡姶攀峭ㄟ^(guò)剛性繩和兩抓頭相連，所以抓頭會(huì)同時(shí)向中間靠攏，又因?yàn)殡姶盆F的拉力為 3kg，所以不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置造成損傷。定位部分主要設(shè)計(jì)了一個(gè)定位錐，將定位錐固定于測(cè)試平臺(tái)的最中間，定位錐移動(dòng)平臺(tái)時(shí)將定位錐對(duì)準(zhǔn)“三線擺”擺盤(pán)的中心位置。它主要用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低(30％～40％)。在本課題的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，載荷非常小且各個(gè)方向移動(dòng)范圍不超過(guò)50mm，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了滑動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)。其在 X、Y、Z軸設(shè)計(jì)圖紙參見(jiàn)附錄 2 和圖 51 所示。 圖 56a 滑動(dòng)絲杠螺母移動(dòng)裝置移動(dòng)裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)蝶形螺母實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量平臺(tái)在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三個(gè)維度的移動(dòng)，Y、Z 方向調(diào)節(jié)與 X 相同。故本課題所設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)在 X 方向上的移動(dòng)范圍為：85177。20mm；Z 方向上為：130177。其中 Z 方向可以調(diào)節(jié)裝夾部分直接在立柱上移動(dòng)，所以調(diào)節(jié)部分不必要有太多冗余。 定位裝置設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)試裝置的旋轉(zhuǎn)中心要求和“三線擺”實(shí)驗(yàn)裝置的擺盤(pán)的中心在同一條軸線上，在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了一個(gè)可供定位的定位錐作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)節(jié)的參照裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)主要為一根錐形柱體，該柱體上有螺紋。圖 58a 定位裝置的仿真圖 圖 58b 定位裝置的裝配圖定位錐通過(guò) 4 個(gè)螺栓連接在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸插入在轉(zhuǎn)軸套中，二者為間隙配合，這樣整個(gè)測(cè)量平臺(tái)就可以在上面轉(zhuǎn)動(dòng)，定位錐上攻有螺紋是為了方便于激光器和光電池裝夾在上面。X:175mmY:電磁鐵套筒定位錐 夾爪支座測(cè)試平臺(tái)支座河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文6 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置 轉(zhuǎn)角控制方式在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通常是采用用手去撥動(dòng)擺盤(pán)使擺盤(pán)旋轉(zhuǎn) 5176。這樣的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，首先是手工撥動(dòng)沒(méi)有參照，很難精確的控制在 5176。其次是在撥動(dòng)的過(guò)程中，由于人手總存在一定抖動(dòng)當(dāng)這個(gè)抖動(dòng)值超過(guò)一定范圍時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可以有效的避免人為直接操作“三線擺”擺盤(pán)，而是間接的通過(guò)調(diào)節(jié)輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)“三線擺”擺盤(pán)的旋轉(zhuǎn)。時(shí)在支座上畫(huà)上一條線，這條線位置即擺轉(zhuǎn)后的角度如圖所示虛線位置處。 激光器和光電池裝夾裝置“三線擺”法測(cè)慣量實(shí)驗(yàn)輔助裝置用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)周期的方式主要由激光器和光電池構(gòu)成，其主要電氣特性在第 4 章已經(jīng)有詳細(xì)介紹了，在這里就不再贅述。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先要保證激光器照射在擺盤(pán)上的光的角度、高度等都不能發(fā)生變化，為此本課題的研究專門為激光器設(shè)計(jì)了一個(gè)支座（如圖 510 所示）。 圖 510a 激光器和光電池安裝示意圖 510b 激光器和光電池安裝實(shí)物圖激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機(jī)構(gòu)部分，光電池上方裝有一個(gè)簡(jiǎn)易濾波器。 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中除了上述主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)以外，還包括測(cè)試輔助裝置和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接裝置和一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型與使用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的局限性，在裝夾的過(guò)程中只可以利用測(cè)試平臺(tái)兩邊的立柱，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了 V 爪的設(shè)計(jì)方式，其具體結(jié)構(gòu)如下圖實(shí)物圖（圖 511 所示）。 V型爪的一側(cè)有五個(gè)螺紋孔，其中四個(gè)是和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的橫梁相互連接，一個(gè)孔是和對(duì)面的在另外一個(gè)半片上的螺紋孔相互連接。 實(shí)驗(yàn)輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗(yàn) 裝配調(diào)試使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，雖然在實(shí)驗(yàn)之前的準(zhǔn)備上有一些繁瑣，但是相對(duì)于未改進(jìn)過(guò)的實(shí)驗(yàn)裝置，在后期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將會(huì)帶來(lái)很大的便利。本課題所設(shè)計(jì)的裝置的有益效果是非接觸式測(cè)量，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)顯示擺動(dòng)周期、自動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。圖 512 輔助裝置裝配調(diào)試及其波形下面是實(shí)驗(yàn)輔助裝置的使用方法：將上述改進(jìn)輔助裝置 V 型爪部分放置于“三線擺” 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的立柱上，上述V 型爪是由兩個(gè)活葉鉸接而成，上述一活葉有螺紋孔，通過(guò)螺栓與擺臂連接。第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9安放好上述輔助裝置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，開(kāi)始調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2. 若定位錐沒(méi)有位于擺盤(pán)上的圓心，則調(diào)節(jié)導(dǎo)向軸座兩邊的蝶形螺母移動(dòng)裝置使其沿著 X、Y 方向移動(dòng)，最終使定位錐的尖點(diǎn)位于擺盤(pán)的圓心。4. 將夾頭夾置于擺盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)到刻度線，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角為 5176。6. 給電磁體供電，通過(guò)與夾頭的連接，使夾頭松開(kāi)，三線擺開(kāi)始自由旋轉(zhuǎn)。兩種方法都可以測(cè)算出周期，本課題使用的方法是頻譜分析法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是受外界干擾小。用三線擺在不同線長(zhǎng)的條件下求圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J0′ ，比較兩種方式的測(cè)量精度。m 2）。39。m 2)電控式轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算 (kg綜上所述，通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)輔助裝置可有效提高“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精度。在方案的實(shí)施中完成了對(duì)電路板的設(shè)計(jì)與制作，加工了整套的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，并搭建了測(cè)試裝置固定機(jī)構(gòu)