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邵文文的优秀论文
邵文文的优秀论文
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单摆实验自动计时器的设计制作
通信学院06级学生：
邵文文指导教师：
李旭虹副教授
摘要：
本文介绍了一种新颖的智能单摆实验仪的设计方法，它是基于STC89C52为核心，利用液晶显示技术显示摆长，周期和重力加速度。
加1，减1和输入按键可以自动控制单摆经平衡位置的次数。
单摆小球摆至最低点挡住激光，光敏电阻的阻值显著差异使得由NE555连接的施密特触发器输出的电平发生变化，并以此脉冲信号的上升沿控制单片机工作，利用20ms定时中断计数可以算出单摆摆动的总时间，从而可以求出周期T和重力加速度g。
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关键词:
单摆实验单片机液晶显示
Abstract：
Thispaperintroducesanoveldesigningmethodofintelligentsimplependulumexperimentalapparatus,whichisbasedSTC89C52asthecore,outputsanddisplayspendulumlength,periodandaccelerationofgravitybyusingLCDdisplaytechnology.Plus1,minus1andenterbuttonscancontrolthenumberofsimplependulumwhenpassingtheEquilibriumposition.Thesmallsimplependulumballswingstothelowestpointandblocksthelaser,asignificantdifferenceofPhotosensitiveresistor’sresistancemakesthevoltagelevelwhichisoutputtedfromtheSchmitttriggerlinkedbyNE555changes,andusetherisingedgeofpulsesignaltocontrolMCU,counting20mstimerinterruptcanbecalculatedthetotaltimeofthependulumswing,SotheycanfindtheperiodTandtheaccelerationofgravityg.p1EanqFDPw
Keywords：
SimplependulumexperimentMCULCDdisplayDXDiTa9E3d
1概述2
2单片机测量原理及设计方案2
2.1测量原理2
2.2设计方案2
2.2.1信号产生电路模块设计2
2.2.2信号输入单片机方式3
2.2.3显示输出3
2.3总设计框图和电路图4
3硬件设计及工作原理4
3.1信号产生及波形整形4
3.2STC89C52单片机组成及外部扩展5
3.2.1STC89C52单片机的结构5
3.2.2STC89C52单片机最小系统组成5
3.2.3液晶显示图形的原理6
3.3单片机与PC机间的通信6
3.4系统设计和调试6
4程序设计7
4.1C与80517
4.2设计思路及流程图8
5总结8
致谢8
1概述
单摆实验仪已广泛应用于工业测量，中大学的实验教案等领域。
作为一种精密的测量仪器，单摆实验仪随着电子技术的发展也在不断的完善，现今市场上有各种各样设计方法制成的单摆实验仪，与传统的单摆实验仪相比，新型的实验单摆具有非常突出的优点。
传统的实验单摆在精度和操作上都存在诸多问题，由于采用人工计时计数的方法测周期，这显然会有很大的误差，而且操作很不方便，不能满足现代测量和教案要求。
由于现行的实验单摆仪实现了自动化控制，所以在测量误差上有了很明显的改善，而且现代显示技术非常的成熟，特别是液晶显示技术，使得实验结果更直观，功能也更多。
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本文介绍的设计方法是基于STC89C52单片机的控制为核心，利用液晶显示技术输出显示，其显示输出包括摆长,周期,重力加速度。
在信号采集方面，也用了非常巧妙而且电路搭接简单的方法，它是利用了光敏电阻接收激光信号的方法，因为光敏电阻的反应灵敏，使得最后经脉冲整形电路输出的脉冲信号有非常好的效果。
相比于其他的利用单片机设计的实验单摆仪，还有一点也是非常新颖的，市场上流行的基于单片机控制的实验单摆仪采用的基本上是外部中断控制，而本文应用了单片机采集输入至P3.0口的脉冲上升沿来实现计时计数的。
在程序设计方面，电路更简洁，结构更简单，而且精度也得到了提高。
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2单片机测量原理及设计方案
2.1测量原理
由物理学知识可知，单摆在摆动角小于5度时的运动可近似认为是简谐运动，且其运动周期T和重力加速度g之间有如下关系：
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（2-1>
给出摆长可以测得重力加速度：
（2-2>
单摆运动的频率较低，对于高速运行的单片机来说，测得高频信号可以直接测量其频率，而对于低频信号采用测量周期的办法可以减小测量误差。
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2.2设计方案
利用单片机设计的单摆实验仪其基本电路模块可已分成信号产生模块，信号处理模块，单片机控制模块和显示模块四部分组成。
其系统组成如图2-1所示。
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图2-1系统组成
2.2.1信号产生电路模块设计
方案一：
利用红外探测技术可以实现单摆摆动周期的监测，其组成电路由红外发射和接收两大部分组成。
红外线发射电路一般是用LM555定时器IC接成无稳定的多谐振荡模式，工作频率由接入到2,6两端的电阻和电容决定。
由于红外接收发送波长需匹配，所以在接收过程中要提取发射的红外线波长，电路一般包括前置放大，限幅放大器，带通滤波器，检波器，积分器和整形电路。
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方案二：
利用光敏器件在光照和避光的情况下特性相差很大的特点，同样可以检测运动物体的移动。
光敏器件可以是光敏电阻，光敏三极管，光敏二极管等，光照可以是普通光，也可以是激光，但为了得到很好的亮暗差异，使用激光效果最好。
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较之方案一，方案二的电路结构简单，易实现，成本低.图2-2是本文所采用的电路，它是利用光敏电阻接收激光信号，单摆放置于激光棒与光敏电阻之间，当单摆经过最低点时，振子小球挡住光信号，使得光敏电阻阻值很大，在接收电路中,R1的阻值远远小于光敏电阻的暗阻，所以LM555的2,6两端为低电平，经整形后3端输出高电平，单摆来回摆动时，就可以形成一连串的脉冲信号。
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图2-2激光产生及脉冲整形电路
2.2.2信号输入单片机方式
方案一：
输入单片机的脉冲信号，在本课题中，若采用中断控制，是可以实现，当单摆摆到最低点时，信号整形后得到的高电平经反相器接入中断0或是中断1，单片机响应中断，并启动定时/计数器中断，因为要实现自动计数周期和总时间，所以可以设计两个定时中断，也可以在程序里面先设定一个摆动周期数，利用循环减1最后为0而解除定时器的工作。
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方案二：
利用脉冲信号的上升下降沿控制单片机工作是一种很常见的思路，首先是避免了外部中断和定时中断嵌套的问题，所以易实现，思路也较易理解。
当小球经过最低点时，信号由低电平变为高电平，单片机采集到该上升沿信号，控制定时器工作，当小球再次经过最低点时，控制摆动次数的循环程序运行，此时定时器一直在连续工作，并将溢出的次数赋给一全局变量，当最后的一次上升沿采集到时，定时器停止工作，最后是控制液晶显示输出。
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方案二同方案一相比，程序结构简单，易编写，也容易实现精确计算，方案一需用到中断嵌套和中断不能返回值的问题，所以本课题先前采用方案一，但最后还是选用了二方案。
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2.2.3显示输出
在单片机显示系统中，显示输出是很关键的部件，是构成人机对话的一种基本方式。
显示器显示控制过程和结果，有两种方式，一种是LED发光器件，还有一种是LCD液晶显示。
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方案一：
LED发光器件的显示基本原理分为静态（只有数码管能实现>和动态，静态的比较好实现，动态显示是运用视觉惰性而设计的快速扫描数码管。
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方案二：
液晶显示的原理是利用液晶的物理性质，即通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过的原理制成的。
液晶显示器的驱动方式一般有静态和分割驱动两种。
单片机系统中应用晶液显示器具有显示质量高，数字式接口，质量小，重量轻，功耗低等优点。
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2.3总设计框图和电路图
根据以上分析，按照课题的要求，可以将整个方案分成两大部分：
硬件和软件。
该方案的硬件框图如图2-3所示，图2-4为总的电路图<由于在proteus仿真软件中没有光敏电阻和激光电筒，所以仿真时用光耦器件代替）。
软件部分主要是将采集信号计数，并计时，待计数完成时，停止计时，利用计时溢出次数算出总时间，然后除于摆动周期，根据，便可以算出重力加速度，最后利用液晶控制信号的控制，输出摆长，周期，和重力加速度。
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图2-3系统方框图
图2-4总电路图
3硬件设计及工作原理
3.1信号产生及波形整形
激光电筒价廉物美，有极高的性价比，主要特点是聚光性能优良，射距达1200m～1500m。
图3-1所示为激光电筒原理图，器件均为贴片元件，故体积很小，但因激光功率较大，不可对着人眼直射。
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图3-1激光电筒原理图
图2-2是光电控制电路，由LM555电路为核心组成，当光敏电阻有激光照射时电阻变小<经测得在总电路中亮阻为800-900，暗组为700k左右），触发端2,6两端上升4V以上，于是3脚输出低电平，当激光被遮档切断，光敏电阻阻值变大，使得远远大于9.1k，2,6管脚变为低电平，3脚输出高电平。
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3.2STC89C52单片机组成及外部扩展
3.2.1STC89C52单片机的结构
STC89C52处理芯片引脚如图3-2
图3-2STC89C52引脚图
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
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3.2.2STC89C52单片机最小系统组成
单片机的最小系统包括复位电路和时钟电路,单片机的时钟一般需要多相时钟，所以时钟电路由振荡器和分频器组成。
STC89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反相放大器。
两个引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
在片外跨接一晶振和两个匹配电容C1,C2就构成一个自激振荡器。
振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百千赫至24MHz可适当选取某一频率。
匹配电容C1,C2要根据石英晶体振荡器的要求选取。
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RST引脚是复位端，高电平有效。
在该引脚输入至少连续两个周期以上的高电平，单片机复位。
RST引脚内部有一个斯密特ST触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求数字波形。
使用时，一般在此引脚与Vss引脚之间接一个约9.1k的下拉电阻，与Vcc引脚之间接一个约一个10vF的电解电容，即可保证上电自动复位。
本课题使用的电路如图2-4所示。
电容C和电阻9.1k实现上电自动复位。
增加按键开关S和电阻R2又可实现按键复位功能。
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3.2.3液晶显示图形的原理
字符的显示：
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
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汉字的显示：
汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码<一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
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3.3单片机与PC机间的通信
单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。
图3-3是接口转换电路NrpoJac3v1
图3-3单片机与PC机间通信接口转换电路
3.4系统设计和调试
硬件方面：
1）应注意激光镭射管的工作参数，与5V电压串联需接限流电阻220欧姆。
2）本方案要用到光敏电阻，所以应有良好的避光处理。
3）为了实现单摆小球摆至平衡位置遮光时555能输出高电平，远离平衡置时555输出低电平，在555的5端口，2,6两端口应注意电阻的分压选取，这要根据电路中光敏电阻的亮暗阻来确定，本方案最终在5端口用两个9.1k的电阻分压5v直流电，在2,6相连与地之间接上了9.1k，经计算和测试能够达到要求。
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4）LCD的背光管脚应连接一个10k的可变电阻，这样可以实现亮度调节。
软件方面：
1）单摆经最低点的脉冲信号输入单片机P3.0，程序中采集的是脉冲上升沿信号，而不是以高低电平为准。
2）输入摆动次数值和摆球经过最低点时，按键都有抖动，所以在程序中加上按键防抖程序。
3）最后在LCD显示屏上显示摆长，周期和重力加速度，摆长为一定值0.8m,周期和重力加速度的输出格式为T=0.01S,g=00.01m/s2.fjnFLDa5Zo
4）计算周期和单摆时，要注意摆动经最低点的次数与周期次数的转化，设loop为摆动次数，则周期数为n=（loop-1>/2.tfnNhnE6e5
5）LCD显示的上下两行最多可以分别显示16个字符，应注意溢出的问题，每次写数据之前都要检测忙信号。
6）主程序结束时，应加一个死循环语句，以免程序跑飞，最终在不断电情况下，一直显示摆长，周期和重力加速度。
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7）为了计数中断T0的溢出次数测总时间，需要将这个变量设为全局变量，这样便可实现调用中断中的数据。
调试的顺序：
开电源--调节LCD的亮度—单片机复位—调节摆动次数—放单摆—待单摆稳定摆动后输入摆动数
按上述操作步骤测得如下实验数据：
（西安市的标准重力加速度为9.7944m/s2>
摆动次数
（loop>
周期次数
（n>
摆长L
单位：
m
周期T
单位：
s
重力加速度g
单位：
m/s2
19
9
0.8
1.78
9.82
19
9
0.8
1.78
9.79
21
10
0.8
1.78
9.78
21
10
0.8
1.78
9.82
23
11
0.8
1.78
9.78
23
11
0.8
1.78
9.78
25
12
0.8
1.78
9.77
25
12
0.8
1.78
9.81
41
20
0.8
1.78
9.81
41
20
0.8
1.78
9.79
43
21
0.8
1.78
9.81
43
21
0.8
1.78
9.79
表3-1实验测得单摆周期和重力加速度
实验结果比实际值要大，在误差允许范围内基本符合要求，其主要误差来自于摆动过程中摆球摆动不规则，因为标准的操作是在偏离平衡位置5度的位置放开单摆，摆球摆动必须是一条视线上，而实际上经常是一些椭圆，这样就会使周期测得不精准，另外摆线的长度和摆球的各种规格都会带来一定的误差。
在程序中的计算也会因小数部分的舍去而带来误差，比如说在计算的过程中直接用g=31.58/（T*T>,实际上它是省略了4*
的小数部分。
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4程序设计
4.1C与8051
KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。
C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。
C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：
编译器，汇编器，实时操作系统，工程管理器，调试器。
uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。
C51 V7版本是目前最高效、灵活的8051开发平台。
它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。
因此，C51 V7版本无疑是8051开发用户的最佳选择。
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4.2设计思路及流程图
为了最终测出重力加速度，需要测算出周期，周期的测量是根据传统的方法，也就是计时给定周期次数的总时间，然后经除法运算便能算出。
使用P1口输出液晶显示，P2.4,P2.5,P2.6分别控制使能信号端E,读/写操作端RW,寄存器选择端RS.P3.0口作为单摆脉冲信号输入端。
P0.1，P0.2，P0.3口用来控制摆动次数，实现加，减和输入的功能。
其软件流程图4-1如下：
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图4-1软件流程图
5总结
本课题属于应用型，所以不仅需要一定的理论基础，而且在实践过程中也需要一些应用经验，本文涉及到的理论基础课程包括模拟数字电路，单片机原理与接口技术，C语言程序设计，仿真采用proteus软件，这些课程都是电子技术专业的基础课，也是作为一名电子技术专业学生必须懂得的基础课程。
通过这次的毕业设计，加深了这些课程的理解，而且也将枯燥的理论真正融入到自己的大脑。
在焊接电路过程中，碰到了很多的小问题，但最后能通过理论的推敲一一化解。
体会最深的就是完成一项工程，需要条理清晰，而且对整个系统也要有一定的把握。
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致谢
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，特别感谢我的导师李旭虹老师，，她在忙碌的工作中抽出时间适时地给我指导毕业设计，关注着我工作进展的每一步，不断地给我启发，引导我进步，使我能顺利地完成毕业设计各个阶段的任务。
我仅以年轻而真诚的心，向尊敬的李老师表示衷心的感谢和致以美好的祝愿！
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申明：
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