基于单片机的弹簧劲度系数测量方法的研究本科毕业论文.docx
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基于单片机的弹簧劲度系数测量方法的研究本科毕业论文
学士学位论文
基于单片机的弹簧劲度系数测量方法的研究
摘要
在教学实验室中常常需要测量弹簧的劲度系数,弹簧劲度系数的测量以胡克定律为测量原理,传统的测量方法是一般通过人工手动测量弹簧的受力和受力后的形变量而计算得到。
手工测量数据读取粗糙,操作处理繁琐。
为了提高物理实验室对弹簧进度系数的测量方便及精确,本文采用基于单片机技术使其测量实现数字化,可以快捷准确地测量弹簧劲度系数。
单片机技术是利用传感器实时采集测量过程中的实验数据,并通过接口传入模数转换器,将模拟量转换为数字量,然后再将数字量送入单片机进行数据处理、分析与显示。
关键词:
弹簧劲度系数;传感器;AD转换器;单片机;LED显示器
Abstract
Intheteachinglaboratoryoftenneedtomeasurethespringstiffnesscoefficient,measuringthecoefficientofstiffnessofthespringtotheHookelawasthemeasuringprinciple,thetraditionalmeasurementmethodisgenerallythroughthemanualmeasurementsofthespringforceandthestressdeformationcalculated.Themanualmeasurementdataisreadfromtherough,operationcumbersome.Inordertoimprovethephysicallaboratorymeasurementofspringschedulecoefficientsconvenienceandaccuracy,thispaperadoptssingle-chipmicrocomputertechnologytomakethemeasurementbasedondigital,canrapidlyandaccuratelymeasurethelengthofspring.SCMtechnologyistheuseofsensortocollectexperimentdataoftheprocess,andthroughtheinterfaceintotheanalog-to-digitalconverter,theanalogtodigitalconversion,andthenthedataprocessing,analysisanddisplaychipintothedigitalquantity.
Keywords:
springstiffnesscoefficient;sensor;ADconverter;SCM;LEDdisplay
目录
第1章绪论1
1.1概述1
1.2传统测量方法1
1.3改进后测量方法2
第2章系统结构3
2.1系统组成3
2.2系统工作原理3
第3章传感器的数据处理4
3.1测力传感器4
3.2测距传感器5
第4章系统硬件设计7
4.1LED显示器7
4.1.1LED显示器简介7
4.1.2LED显示器的特点7
4.1.3LED显示方式8
4.2A/D模数转换器9
4.2.1ADC0809简介9
4.2.2主要特性9
4.2.3内部结构10
4.2.4工作过程11
4.3单片机模块11
第5章总结14
5.1系统流程14
5.2系统仿真14
5.3结束语15
参考文献16
附录18
致谢23
第1章绪论
1.1概述
弹簧劲度系数K与什么量有关?
在弹性限度内,弹簧的弹力大小可由F=KL得到。
L为弹簧的伸长的长度;K为劲度系数,表示弹簧的一种属性,它的数值与弹簧的材料,弹簧丝的粗细,弹簧圈的直径,单位长度的匝数及弹簧的原长有关。
在其他条件一定时弹簧越长,单位长度的匝数越多,K值越小。
K值还与温度有关,其他条件一定时,温度越低K值越大。
目前,大、中专院校及中小学物理教学实验室中测量轻质弹簧劲度系数的方法主要有两种:
一是在气垫导轨上测量,操作时在导轨一端通过滑轮悬挂砝码,记录轻质弹簧在砝码作用下的伸长量和砝码重量,由胡克定律求得弹簧进度系数,其测量方法的不足是测量误差大,主要是滑轮产生的摩擦、气垫导轨与滑块的摩擦以及弹簧横向拉直产生的张力,且该方法需要对多个砝码组合才能得到各种拉力,操作步骤繁琐;另一种方法是利用焦利式秤测量,其缺点也是需要对多个砝码组合才能得到各种拉力,且拉力不能连续变化,操作繁琐,弹簧易损坏。
每一种材料的弹簧,其劲度系数是不一样的,即使材料相同材料,长度与匝数的不同,也会导致劲度系数的不同。
还有,劲度系数是测量出来的数值。
为了克服现有的测量轻质弹簧劲度系数方法的不足,本设计提供一种弹簧进度系数测量的数字化测量法,为了提高物理实验室对弹簧进度系数的测量方便及精确,本文采用基于单片机技术使其测量实现数字化,可以快捷准确地测量弹簧劲度系数。
1.2传统测量方法
根据胡克定律,采用传统测量方法进行弹簧劲度系数测量(如图1-1)。
该装置由一个平台(附带精度为0.001m精度的米尺)、一根轻质弹簧、轻质滑轮及不同质量标准砝码组成。
在弹簧下端挂上不同质量的标准砝码,可得出不同的弹簧受力F,以及对应的弹簧伸长量△x,伸长量△x可根据平台上的米尺读出。
图1-1传统测量方法装置图
1.3改进后测量方法
基于单片机技术,设计振子法进行弹簧劲度系数测量(如图1-2)。
振子法装置中由一个轻质弹簧和标准砝码组成弹簧振子,压力传感器置于弹簧振子正上方,负责监测竖直方向上弹簧的拉力F的数据;运动传感器置于弹簧振子正下方,负责监测竖直方向上弹簧形变量△x的数据。
在竖直方向上给弹簧添加砝码,当振动稳定后,弹簧振子在竖直方向上位移的变化数据由接口传入单片机,后相关数据经单片机进行分析处理,得到弹簧振子位移的变化周期和砝码的重量。
图1-2改进后测量方法装置图
第2章系统结构
2.1系统组成
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
FS20测力传感器(用来测量砝码质量)、PASCO运动传感器PS-2103(用来测量轻质弹簧拉伸量)、ADC0809模数转换器、AT89S51单片机、两个四位LED显示器、支架、轻质弹簧、砝码、5V电源等。
通过FS20测力传感器来测量作用于弹簧的拉力F,可经过计算算出拉力的变化量△F,通过PASCO运动传感器PS-2103来测量轻质弹簧的伸长量L,可通过计算得出弹簧的身长变化量△L,由胡克定律即可求得弹簧劲度系数K=△F/△L,解决了现有测量轻质弹簧劲度系数方法不能连续改变拉力、操作繁琐、弹簧易损坏的问题。
图2-1系统结构图
2.2系统工作原理
该系统通过测力传感器(FS20力传感器)和测距传感器(PASCO运动传感器PS-2103)实时采集弹簧的拉力和拉伸量两组数据将其数据转化成0-5V的电压模拟量形式;然后将测得的0-5V的电压模拟量送入ADC0908模数转化器将模拟电信号转化为数字电信号;再将其送入AT89S51单片机处理器进行数据处理;最后将处理过的数字电信号送入LED显示器显示出来。
第3章传感器的数据处理
3.1测力传感器
选择的测力传感器要求实现测量在0-10N的力信号实现实验室用的小量程的测力计的传感器对0-10N的力信号的识别;选用FS20测力传感器是一种高性价比的微力传感器,采用MICROFUSE技术,长期稳定性好,超高分辨率,带温度补偿的压力传感器[1]。
特点:
成本低,超小外形,低噪声,0-5V输出,500-1500g量程,高稳定性,低偏差,寿命长,工业标准封装[2]。
图3-1FS20测力传感器
量程的确定及数据计算:
测力传感器在调零的情况下(F+G=500g)
测量拉力F的变化范围0-10N,即测量的重量范围是0-1000g
传感器输出电压U变化范围0-5V
转换器的通道1转换成数字的范围是0-255
所以当取最小量程为1g时各个数据的最小变化为:
数据量
质量G
压力F
电压U
数字量
LED显示量
最小变化量
1g
0.01N
0.005V
0.256
1
各个数据随拉力的变化表:
数据量
质量G
压力F
电压U
数字量
LED显示量
零状态
0
0
0
0
0
工作中
0-10N
0-1000g
0-5V
0-255
0-1000
超载装
>10N
>1000g
无
0
0
从传感器到转换器连接的简单描述:
从传感器的三根引线中,有一根(A)接地,一根(C)接5V电源,一根(B)是信号线经过处理后接到0-5V的转换器的通道0口处,然后转换器进行模数转换成0-255的数字信号之后送到单片机进行处理。
把0-255的数字经过处理得到0-1000的数字后,通过数码管显示出来。
设计的测力计的最小量程为0.01N,所以得到的数字信号得按0.256的倍数进行处理得到0-1000的数字信号[3]。
图3-2FS20测力传感器电路图
3.2测距传感器
选用PASCO运动传感器PS-2103作为测距传感器是根据PASCO运动传感器可以在实验中测量位移、速度和加速度。
其独特的超声脉冲测距技术具有标准波束和窄波束两种选择。
窄波束可以避免接受错误信号已得到更清晰的数据。
该运动传感器可以放在桌上,也可固定在杆架或动力学导轨上[4]。
特点:
量程0.15m-8m,最小分辨率1mm,高稳定性,低偏差,寿命长[5]。
图3-3PASCO运动传感器PS-2103
量程的确定及数据计算:
测距传感器在调零的情况下
测量物体的运动范围0.15m-8m(即测量弹簧的拉伸长度范围是0-7850mm)
传感器输出电压U变化范围0-5V
转换器的通道1转换成数字的范围是0-7850
实际应用中我们只需要0-300mm的量程就可以[6]
数据量
弹簧拉伸长度L
电压U
数字量
LED显示量
最小变化量
1mm
0.00064V
1
1
所以当取最小量程为1mm时各个数据的最小变化为:
各个数据随弹簧拉伸长度的变化表:
数据量
弹簧拉伸长度L
电压U
数字量
LED显示量
零状态
0
0
0
0
工作中
0-300mm
0-0.19V
0-300
0-300
第4章系统硬件设计
4.1LED显示器
4.1.1LED显示器简介
发光二极管(英语:
Light-EmittingDiode,简称LED)是一种能发光的半导体电子元件。
发光显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。
它是由若干个发光二极管组成的,当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发光,控制不同组合的二极管导通就能显示出各种字符。
LED晶片的一端附着在一个支架上,一端是正极,一端是连接电源的负极,使晶片被封装起来。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和n型半导体组成的晶片,在P型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把
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