【正文】 過 5V。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行采集。+VP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。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。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]。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 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，可選 為 ADC參考電壓，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。單片機河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文4 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。 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。D4 (1N4148)的作用有兩個：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，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。 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)計中外接一個 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)計要求。單片機第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計5AVC10uHLpF763829REGNDISPinMOTKJBMega16 內(nèi)帶 標準參考電壓。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。應(yīng)用時，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)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“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極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，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。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。動態(tài)顯示驅(qū)動。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，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)，不會有閃爍感，動態(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。通過單片機連接反向器對數(shù)碼管進行選通。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文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”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗平臺輔助裝置的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，改進后采用光電池作為傳感器計數(shù)，大大提高了實驗的精度。 電源模塊設(shè)計該實驗輔助裝置直接引用實驗測量平臺所提供的 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)計一個電壓變化為 ~5V 的可調(diào)電源。通過電源模塊用到LM2576 轉(zhuǎn)化成直流 5V 給整個裝置供電。1. 測量系統(tǒng)供電電路供電電路設(shè)計LM2576 系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動 3A 的負載調(diào)整能力。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將其外部電路減到最少，使用簡便 [11]。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。輸出開關(guān)包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下A?提供完全保護熱關(guān)斷功能。F1 為保險管當負載過高或者短路時保險管熔斷，保護電路。LED12 串聯(lián)接上一個電阻 R39（2K）防止 LED 被燒壞。317 系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如 LM317HVH、W317L 等。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算.(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)大學繼續(xù)教育學院論文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電路，防止電路中的電容放電時的高壓把 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)大學繼續(xù)教育學院論文0第 5 章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在確定了周期信號的采集方式的情況下，現(xiàn)對控制圓盤轉(zhuǎn)動角度及釋放圓盤的裝置進行設(shè)計。本課題所設(shè)計的測試機械結(jié)構(gòu)裝置部分可分為：擺盤夾取裝置、定位移動裝置、轉(zhuǎn)角定位和計數(shù)傳感裝置以及其他部分。Y 方向Z 方向X 方向電磁鐵實驗臺立柱第 5 章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計1所設(shè)計的裝置應(yīng)滿足以下三點設(shè)計要求：1. 所設(shè)計裝置在實驗過程中能有效的減小或者避免改進之前實驗人工操作時所帶來的誤差。3. 所設(shè)計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)計要求。實驗操作不方便收集“線擺”法測慣量設(shè)想方案草圖設(shè)計“三線擺”改進裝置機構(gòu)模擬AutoCAD 工程圖裝配調(diào)試實驗改進裝置3D 動態(tài)模擬YYY Y YN N NNN N N圖 52 機械設(shè)計流程圖 擺盤夾取裝置的設(shè)計用三線擺測圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要將圓盤扭轉(zhuǎn)一個角度，盡管對于通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗裝置，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進行適當修正，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)要求相當小。爪頭部分由兩內(nèi)徑和擺盤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)，通過電磁的通斷控制，控制夾頭的張合，可夾住“擺盤”進行轉(zhuǎn)動，抓頭上有兩塊厚塑料，其主要功能是防止磨損擺盤和在夾取的時候防止讓擺盤變形。并減小手動轉(zhuǎn)動圓盤的人為誤差，現(xiàn)設(shè)計了一?種簡易機構(gòu)，可以通過該機構(gòu)夾住圓盤，旋轉(zhuǎn)圓盤調(diào)整到指定度數(shù)后，再釋放即可令圓盤作來回擺動。下面是對該機構(gòu)的設(shè)計及分析。其外形尺寸為：13011510mm。其特性為：容易固定以及連接負載 溫升穩(wěn)定，可延長產(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作 低磨擦確保高效率并延長壽命 結(jié)構(gòu)設(shè)計簡易可靠。電磁鐵在通電一段時間后溫度會發(fā)生改變，吸力特性也隨著可動鐵芯的移動發(fā)生著變化。斷電后彈簧復(fù)位，在此過程中行程 10mm。單次通電工作時間：1~10s。 圖 54 電磁鐵的實物圖第 5 章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3 夾頭設(shè)計夾頭的功能主要是夾緊及釋放圓盤，經(jīng)過分析比較、調(diào)查研究后，決定利用電磁鐵來實現(xiàn)這一功能，其工作原理在上文中已經(jīng)提到過。圖 55a 電磁鐵未通電時狀態(tài) 圖 55b 電磁鐵通電時狀態(tài) 在上圖中可以看到，本課題所設(shè)計的夾爪部分是由兩個弧形的板件通過螺栓相互鉸接接而成，在螺栓的下方墊有兩個墊片，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，當電磁鐵處于伸長狀態(tài)下，彈簧產(chǎn)生一個收縮的力使夾頭的張開，以便于測量的時候固定擺盤位置。因為電磁是通過剛性繩和兩抓頭相連，所以抓頭會同時向中間靠攏，又因為電磁鐵的拉力為 3kg，所以不會對實驗裝置造成損傷。定位部分主要設(shè)計了一個定位錐，將定位錐固定于測試平臺的最中間，定位錐移動平臺時將定位錐對準“三線擺”擺盤的中心位置。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動?；瑒咏z杠螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。在本課題的實驗研究過程中，載荷非常小且各個方向移動范圍不超過50mm，所以在設(shè)計過程中采用了滑動絲桿螺母機構(gòu)。其在 X、Y、Z軸設(shè)計圖紙參見附錄 2 和圖 51 所示。 圖 56a 滑動絲杠螺母移動裝置移動裝置可以通過調(diào)節(jié)蝶形螺母實現(xiàn)整個測量平臺在空間直角坐標系內(nèi)實現(xiàn)X、Y、Z 三個維度的移動，Y、Z 方向調(diào)節(jié)與 X 相同。故本課題所設(shè)計的移動平臺在 X 方向上的移動范圍為：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，所以調(diào)節(jié)部分不必要有太多冗余。 定位裝置設(shè)計移動平臺的測試裝置的旋轉(zhuǎn)中心要求和“三線擺”實驗裝置的擺盤的中心在同一條軸線上，在本課題的設(shè)計過程中，設(shè)計了一個可供定位的定位錐作為實驗平臺調(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 4 個螺栓連接在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸插入在轉(zhuǎn)軸套中，二者為間隙配合，這樣整個測量平臺就可以在上面轉(zhuǎn)動，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 夾爪支座測試平臺支座河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文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)的實驗過程中，通常是采用用手去撥動擺盤使擺盤旋轉(zhuǎn) 5176。這樣的方法對實驗結(jié)果會產(chǎn)生很大的誤差，首先是手工撥動沒有參照，很難精確的控制在 5176。其次是在撥動的過程中，由于人手總存在一定抖動當這個抖動值超過一定范圍時會直接導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤。改進后的實驗裝置可以有效的避免人為直接操作“三線擺”擺盤，而是間接的通過調(diào)節(jié)輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺，從而實現(xiàn)“三線擺”擺盤的旋轉(zhuǎn)。時在支座上畫上一條線，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”法測慣量實驗輔助裝置用于測量轉(zhuǎn)動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)有詳細介紹了，在這里就不再贅述。實驗過程中首先要保證激光器照射在擺盤上的光的角度、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)計了一個支座（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物圖激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機構(gòu)部分，光電池上方裝有一個簡易濾波器。 其它裝置機構(gòu)的設(shè)計設(shè)計過程中除了上述主要的機械結(jié)構(gòu)以外，還包括測試輔助裝置和實驗平臺連接裝置和一些標準件的選型與使用。在設(shè)計過程中考慮到原有實驗平臺的局限性，在裝夾的過程中只可以利用測試平臺兩邊的立柱，所以設(shè)計過程中采用了 V 爪的設(shè)計方式，其具體結(jié)構(gòu)如下圖實物圖（圖 511 所示）。 V型爪的一側(cè)有五個螺紋孔，其中四個是和實驗平臺的橫梁相互連接，一個孔是和對面的在另外一個半片上的螺紋孔相互連接。 實驗輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗 裝配調(diào)試使用改進后的實驗輔助裝置，雖然在實驗之前的準備上有一些繁瑣，但是相對于未改進過的實驗裝置，在后期實驗過程中將會帶來很大的便利。本課題所設(shè)計的裝置的有益效果是非接觸式測量，響應(yīng)速度快，實時顯示擺動周期、自動計算轉(zhuǎn)動慣量。圖 512 輔助裝置裝配調(diào)試及其波形下面是實驗輔助裝置的使用方法：將上述改進輔助裝置 V 型爪部分放置于“三線擺” 實驗平臺的立柱上，上述V 型爪是由兩個活葉鉸接而成，上述一活葉有螺紋孔，通過螺栓與擺臂連接。第 5 章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計9安放好上述輔助裝置于實驗平臺時，開始調(diào)節(jié)實驗平臺。2. 若定位錐沒有位于擺盤上的圓心，則調(diào)節(jié)導(dǎo)向軸座兩邊的蝶形螺母移動裝置使其沿著 X、Y 方向移動，最終使定位錐的尖點位于擺盤的圓心。4. 將夾頭夾置于擺盤上，旋轉(zhuǎn)實驗平臺到刻度線，此時旋轉(zhuǎn)角為 5176。6. 給電磁體供電，通過與夾頭的連接，使夾頭松開，三線擺開始自由旋轉(zhuǎn)。兩種方法都可以測算出周期，本課題使用的方法是頻譜分析法，該方法的優(yōu)點是受外界干擾小。用三線擺在不同線長的條件下求圓盤的轉(zhuǎn)動慣量 J0′ ，比較兩種方式的測量精度。m 2）。39。m 2)電控式轉(zhuǎn)動慣量測算 (kg綜上所述，通過改進后的實驗輔助裝置可有效提高“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的精度。在方案的實施中完成了對電路板的設(shè)計與制作，加工了整套的實驗輔助裝置，并搭建了測試裝置固定機構(gòu)