單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)

摘要本課題研究了以單片機(jī)為控制核心的單擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的高精度定時(shí)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)者設(shè)定的次數(shù)，完成實(shí)驗(yàn)的觸發(fā)和自動(dòng)計(jì)時(shí)功能，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出單擺的周期，從而實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程。在完成單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的過(guò)程中，主要完成以下內(nèi)容。本文介紹了單擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案，系統(tǒng)包括了單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路，按鍵模塊、紅外傳感器以及LCD顯示等模塊，在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，并對(duì)每個(gè)模塊電路進(jìn)行了分析，根據(jù)單擺系統(tǒng)工作的原理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件流程，最終完成了系統(tǒng)的實(shí)物，并在設(shè)計(jì)的實(shí)物基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，成功驗(yàn)證了單擺周期的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)螖[；單片機(jī)；定時(shí)器；AbstractThissubjectstudiesasinglependulumexperimentalsystemwithasinglechipmicrocomputerasthecontrolcore.Automatictimingisperformedbyahigh-precisiontimerinsidethesinglechipmicrocomputer.Accordingtothenumberoftimessetbytheexperimenter,thetriggeringandautomatictimingfunctionsoftheexperimentarecompleted.Cycle,soastorealizetheautomaticdetectionprocessofthependulumexperiment.Intheprocessofcompletingthesinglependulumexperimentautomatictimersystem,thefollowingcontentsweremainlycompleted.Thisarticleintroducestheschemeofthesinglependulumexperimentalsystem.Thesystemincludestheminimumsystemcircuitofasinglechipmicrocomputer,akeymodule,aninfraredsensor,andanLCDdisplaymodule.Basedonthis,thehardwarecircuitdesignofthesystemiscompleted,andthecircuitofeachmoduleAccordingtotheanalysis,accordingtotheprincipleofthependulumsystem,thesystemsoftwareprocesswasdesigned,andthephysicalobjectofthesystemwasfinallycompleted.Anexperimentaltestbenchwasbuiltonthebasisofthedesignedobject,andthetestexperimentofthesinglependulumcyclewassuccessfullyverified.Keywords：singlependulum；microcontroller；timing；目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景 11.2研究課題目的及意義 21.3課題研究的內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo) 3第2章方案的論證與設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)方案論證 52.1.1單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案一 52.1.2單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案二 62.1.3單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案三 72.2方案對(duì)比及方案確定 8本章小結(jié) 8第3章單元電路設(shè)計(jì) 93.1單板實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器硬件設(shè)計(jì) 93.2單片機(jī)最小系統(tǒng) 103.3LCD顯示電路 133.4光敏二極管電路 16本章小結(jié) 16第4章軟件程序設(shè)計(jì) 174.1軟件設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言 174.2單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器軟件流程設(shè)計(jì) 174.2系統(tǒng)計(jì)時(shí)軟件流程 194.3按鍵模塊軟件流程設(shè)計(jì) 20本章小結(jié) 21第5章實(shí)物設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 235.1單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器實(shí)物組成 235.2硬件調(diào)試 245.3系統(tǒng)功能調(diào)試 255.4單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn) 26本章小結(jié) 28結(jié)論 29致謝 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄1譯文 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄2英文參考資料 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄3整機(jī)原理圖 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄4程序源代碼 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。緒論1.1課題背景隨著電子技術(shù)以及控制技術(shù)的快速發(fā)展，在結(jié)合電子技術(shù)的前提下，使得目前很多物理量的測(cè)量結(jié)果都更精確。在做過(guò)著名物理實(shí)驗(yàn)單擺周期測(cè)量實(shí)驗(yàn)的人都有比較深的體會(huì)，通過(guò)數(shù)單擺運(yùn)動(dòng)的周期數(shù)的過(guò)程經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)都是手動(dòng)完成，而且要保證計(jì)時(shí)和單擺運(yùn)行開(kāi)始是同時(shí)進(jìn)行的。對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的精度很難得到保障，并且手動(dòng)操作誤差非常大，沒(méi)有一個(gè)同步觸發(fā)的信號(hào)。單擺實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量的數(shù)字電路出現(xiàn)可以解決使用秒表計(jì)時(shí)時(shí)出現(xiàn)的計(jì)時(shí)不同步的的問(wèn)題，這樣便可以減少誤差甚至沒(méi)有誤差，為測(cè)量單擺實(shí)驗(yàn)周期提供更加精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)時(shí)間。單擺實(shí)驗(yàn)儀已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量，中大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域，單擺實(shí)驗(yàn)儀屬于一種精密的測(cè)量數(shù)據(jù)儀器，目前隨著科技水平的發(fā)展，單擺的實(shí)驗(yàn)儀器不斷的在優(yōu)化，目前市面上有很多各式各樣的單擺測(cè)試儀，相對(duì)于之前的課堂實(shí)驗(yàn)?zāi)欠N有許多優(yōu)越之處，最大的優(yōu)點(diǎn)就是大部分可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)，而不需要人通過(guò)眼睛去數(shù)單擺運(yùn)動(dòng)周期。由于采用人工計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)的方法測(cè)周期，這顯然會(huì)有很大的誤差，而且操作很不方便，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代測(cè)量和教學(xué)要求。由于現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)單擺儀實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，所以在測(cè)量誤差上有了很明顯的改善，而且現(xiàn)代顯示技術(shù)非常的成熟，特別是液晶顯示技術(shù)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀，功能也更多。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，紅外探測(cè)器技術(shù)向著大面陣、小像元、低功耗、小型化封裝、室溫工作的方向發(fā)展。我國(guó)探測(cè)器水平正不斷縮小與國(guó)外廠(chǎng)商的差距，不再受制于人。紅外線(xiàn)探測(cè)器包括紅外線(xiàn)發(fā)射器、接收器、以及信號(hào)處理器，信號(hào)處理器的信號(hào)輸出端經(jīng)紅外線(xiàn)發(fā)射電路與紅外線(xiàn)發(fā)射器連接；信號(hào)輸入端經(jīng)紅外線(xiàn)接收電路與紅外線(xiàn)接收器連接，其反饋信號(hào)輸出端與外圍控制電路連接。傳統(tǒng)的測(cè)量單擺震動(dòng)周期的方法是根據(jù)秒表記錄的數(shù)值手工計(jì)算出單擺的震動(dòng)周期。然而隨著時(shí)代的發(fā)展單擺實(shí)驗(yàn)儀已廣泛應(yīng)用于測(cè)量，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域。作為一種精密的測(cè)量?jī)x器，單擺實(shí)驗(yàn)儀隨著電子技術(shù)的發(fā)展也在不斷的完善，現(xiàn)今市場(chǎng)上有各種各樣設(shè)計(jì)方法制成的單擺實(shí)驗(yàn)儀，與傳統(tǒng)的單擺實(shí)驗(yàn)儀相比，電子的實(shí)驗(yàn)單擺具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)。著名的單擺實(shí)驗(yàn)原理就是用重量可忽視的細(xì)線(xiàn)吊起一質(zhì)量為m重錘，使其左右擺動(dòng)，當(dāng)擺角為0度時(shí)，重錘所受合外力大小等于小球本身的重力。在用單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)中，為了求出重力加速度，需要測(cè)定單擺的周期。傳統(tǒng)的測(cè)量單擺周期的方法是在擺球擺到最低點(diǎn)時(shí)人工操作秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)量單擺50個(gè)周期的總時(shí)間t，則單擺的周期T為： 式1-1以上方法存在如下不足：在擺球擺到最低點(diǎn)，開(kāi)始計(jì)時(shí)或停止計(jì)時(shí)時(shí)，由于是人工操作秒表計(jì)時(shí)，不可避免會(huì)出現(xiàn)超前或滯后計(jì)時(shí)的情況，存在較大的計(jì)時(shí)誤差。學(xué)生數(shù)單擺周期的個(gè)數(shù)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，周期個(gè)數(shù)多，容易出現(xiàn)多數(shù)少數(shù)的情況。基于以上的實(shí)驗(yàn)缺陷，結(jié)合當(dāng)今的科技技術(shù)及電子技術(shù)，本文提出一種基于單片機(jī)為核心的控制的自動(dòng)檢測(cè)計(jì)時(shí)電路，從而能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)的完成。1.2研究課題目的及意義單擺的實(shí)驗(yàn)原理推導(dǎo)根據(jù)如下圖1-1所示的對(duì)單擺系統(tǒng)進(jìn)行受力分析圖1-1單擺系統(tǒng)受力分析設(shè)小球的質(zhì)量為m，其質(zhì)心到擺的支點(diǎn)o的距離即擺長(zhǎng)為l。由圖(1),重力在切向方向的分力為mgsinθ，它總指向平衡位置,是擺球作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力。當(dāng)擺角很小時(shí)(θ<5°)，有sinθ≈θ，由牛頓第二定律，可得擺球的動(dòng)力學(xué)方程為：式1-2即式1-3式1-4 則式1-5式1-6在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中需要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用的單擺應(yīng)符合理論要求，擺動(dòng)角度不能超過(guò)5°，每次擺動(dòng)幅度要盡量相近。計(jì)時(shí)時(shí)要從擺球通過(guò)最低位置開(kāi)始計(jì)時(shí)。計(jì)算次數(shù)時(shí)，也要從最低位時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)要調(diào)整角度尺距離頂端的位置，使兩者的距離為角度尺的半徑。使用漸進(jìn)法進(jìn)行修正時(shí)不能改變繩子長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，要和試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)保持一致。由于整個(gè)單擺實(shí)驗(yàn)測(cè)試比較復(fù)雜，計(jì)時(shí)以及運(yùn)動(dòng)周期的記錄都是通過(guò)人工，很容易造成誤差。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)，提出了結(jié)合單片機(jī)為核心的單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器，從而智能的完成單擺實(shí)驗(yàn)，使測(cè)試結(jié)果更加精確。目前，單片機(jī)作為控制核心的各種電子產(chǎn)品在市面上隨處可見(jiàn)，因此，通過(guò)以單片機(jī)為核心的自動(dòng)檢測(cè)電路不僅可以擴(kuò)寬單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，更能實(shí)現(xiàn)本文研究的單擺實(shí)驗(yàn)測(cè)試智能化。1.3課題研究的內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)本文的任務(wù)指標(biāo)是利用電路設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器，此裝置可避免人工啟動(dòng)計(jì)時(shí)與單擺不同步引的誤差。從而掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程。主要功能及技術(shù)指標(biāo)：（1）每一次實(shí)驗(yàn)最多可記錄9個(gè)擺動(dòng)周期；（2）最大計(jì)時(shí)99.9秒；（3）分辨率為0.1秒本文主要是解決單擺實(shí)驗(yàn)通過(guò)人工測(cè)試誤差大的難題，提出了設(shè)計(jì)一款以單片機(jī)為核心的單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)在單擺最低點(diǎn)處放上紅外傳感器，裝置的紅外傳感器與單擺小球的平衡位置處于一條水平線(xiàn)上，通過(guò)紅外傳感器對(duì)小球經(jīng)過(guò)平衡位置的瞬間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)小球經(jīng)過(guò)設(shè)定周期數(shù)的最后一個(gè)平衡位置時(shí)瞬時(shí)計(jì)時(shí)，從而得到單擺系統(tǒng)運(yùn)行的累計(jì)周期數(shù)的時(shí)間，這樣就能通過(guò)計(jì)算平均值得到相應(yīng)的單擺運(yùn)動(dòng)周期，從而實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)。系統(tǒng)包括了單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路，按鍵模塊、紅外傳感器以及LCD顯示，單片機(jī)系統(tǒng)用于接收觸發(fā)開(kāi)始測(cè)試命令以及獲取紅外傳感器動(dòng)作的時(shí)間，按鍵模塊用于觸發(fā)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始以及設(shè)置實(shí)驗(yàn)次數(shù)，LCD顯示是用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中計(jì)時(shí)和單擺周期顯示以及實(shí)驗(yàn)完成時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文在研究實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)全文的章節(jié)安排如下：第1章節(jié)主要是對(duì)課題的研究背景進(jìn)行分析，從單擺實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜以及誤差較大分析，引出了本文的研究重點(diǎn)，并對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行分析，指出實(shí)驗(yàn)中需要注意的事項(xiàng)，從而闡述了設(shè)計(jì)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的目的及意義。第2章節(jié)主要是對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器系統(tǒng)方案的驗(yàn)證，根據(jù)方案對(duì)比確認(rèn)了本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，即單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的檢測(cè)次數(shù)記錄單擺的運(yùn)行累計(jì)周期，從而計(jì)算單擺系統(tǒng)的周期。本章節(jié)也對(duì)方案的模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和介紹。第3章主要是對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)詳細(xì)分析及闡述，并對(duì)顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄的顯示模塊LCD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，也分析了紅外傳感器的電路。第4章主要是對(duì)本文設(shè)計(jì)的單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器的程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到按鍵觸發(fā)了系統(tǒng)開(kāi)始工作后，單片機(jī)系統(tǒng)第一次檢測(cè)到紅外傳感器工作后開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)單擺運(yùn)行到達(dá)了累計(jì)次數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算單擺的周期，并在LCD屏上顯示結(jié)果。本章節(jié)對(duì)系統(tǒng)其它模塊進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。第5章主要是完成了單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器的實(shí)物設(shè)計(jì)，并對(duì)軟硬件聯(lián)調(diào)完成后，完成了單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終自動(dòng)的得到了本文單擺系統(tǒng)的測(cè)量周期值。第2章方案的論證與設(shè)計(jì)在第1章節(jié)主要是對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜進(jìn)行闡述，從而得到本文的設(shè)計(jì)任務(wù)。本章節(jié)將設(shè)計(jì)新的方案完成單擺實(shí)驗(yàn)，并對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比，從而得到本文設(shè)計(jì)的方案，對(duì)方案的工作流程進(jìn)行詳細(xì)分析闡述，并對(duì)方案的模塊進(jìn)行分析。2.1系統(tǒng)方案論證2.1.1單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案一方案一采用光電門(mén)觸發(fā)電子秒表自動(dòng)計(jì)時(shí)的方法完成單擺的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)小球經(jīng)過(guò)光電門(mén)位置時(shí)，電路會(huì)觸發(fā)電子表進(jìn)行一次計(jì)時(shí)，多次經(jīng)過(guò)則完成多次計(jì)時(shí)，具體方案如圖2-1為方案一的原理圖。圖2-1方案一原理圖如圖2-1中，通過(guò)光電發(fā)射管發(fā)射光束，接收管接收光束是電子秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)，每次擺球運(yùn)行到最低位擋住接收管接收電路后，秒表一次計(jì)時(shí)完畢，即完成單擺半個(gè)周期的計(jì)時(shí)，從而得到單擺的周期時(shí)間。方案中使用田徑比賽計(jì)時(shí)秒表，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接計(jì)時(shí)按鍵引腳，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)功能。實(shí)驗(yàn)中需要確保擺球的最低位置與發(fā)射光管和接收光束管在同一水平面，然后秒表電路能正常實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)讓小球擺角的位置不要太大，一般不超過(guò)30度，確保單擺的擺動(dòng)為單擺運(yùn)動(dòng)，擺球在運(yùn)行過(guò)程過(guò)，能通過(guò)發(fā)射管和接收管。擺球開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)射光的光束照到接收管時(shí)，計(jì)時(shí)電路導(dǎo)通，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)擺球運(yùn)行到最低位置，擋住了接收光束電路接收光束，從而計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)，然后擺球運(yùn)行過(guò)最低位置一瞬間，計(jì)時(shí)電路又開(kāi)始計(jì)時(shí)，等擺球第二次通過(guò)最低位置擋住了接收光束電路時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，這個(gè)過(guò)程為單擺的半個(gè)周期，可通過(guò)讀取計(jì)時(shí)器的時(shí)間獲得半個(gè)周期的時(shí)間值。多次來(lái)回運(yùn)動(dòng)，秒表不斷計(jì)時(shí)，然后對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，舍去誤差較大的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行求平均值，從而得到比較準(zhǔn)確的單擺周期時(shí)間。2.1.2單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案二方案二采用時(shí)鐘電路配合觸發(fā)電路測(cè)量單位時(shí)間單擺擺動(dòng)次數(shù)，具有方便快捷、方便準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其原理框圖如圖2-2所示。圖2-2單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)器方案二原理圖如圖2-2所示，本方案基于單擺試驗(yàn)周期測(cè)量電路的設(shè)計(jì)，在硬件方面上使用了一個(gè)十六進(jìn)制的74161N計(jì)數(shù)器和三個(gè)十進(jìn)制的74160N計(jì)數(shù)器芯片，一個(gè)D觸發(fā)器芯片，也同時(shí)使用了四個(gè)LED管與555定時(shí)器等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為計(jì)數(shù)部分與計(jì)時(shí)部分，十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片連接的LED數(shù)碼管顯示的是單擺第一次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)記數(shù)開(kāi)始，以后每次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)的次數(shù)，開(kāi)關(guān)則是每次最低點(diǎn)閉合一次單擺計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，LED并顯示。555定時(shí)器產(chǎn)生1S的時(shí)鐘信號(hào)脈沖，用于三個(gè)并聯(lián)74160N計(jì)數(shù)器芯片的記時(shí)，并同時(shí)在三個(gè)與之相連的LED管上顯示時(shí)間。當(dāng)74161N為零時(shí)記時(shí)芯片是被清零的，這保證了記時(shí)的同步性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置記時(shí)的最大值為X，則可當(dāng)記時(shí)為(X+1)時(shí)進(jìn)行記時(shí)置零，同時(shí)實(shí)驗(yàn)要求記錄A個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間，在單擺計(jì)數(shù)顯示數(shù)等于（2A+1）時(shí)使用三輸入與門(mén)從計(jì)數(shù)芯片部分產(chǎn)生高電平觸發(fā)D觸發(fā)器，Q*出來(lái)便是低電平與個(gè)位記時(shí)芯片的ENP端相連，對(duì)于74160N芯片ENP端低電平時(shí)則保持此芯片的的狀態(tài)，這樣當(dāng)計(jì)數(shù)部分走到（2A+1），此時(shí)也就是A個(gè)周期時(shí)停止記時(shí)，所記錄的便為A個(gè)周期的時(shí)間。然后便用記時(shí)顯示的時(shí)間除以A就得到我們所求的時(shí)間。2.1.3單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案三方案三采用單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，利用單片機(jī)強(qiáng)大的功能和運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)的功能，具體的方案原理圖如圖2-3所示。圖2-3單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方案三原理圖如圖2-3所示，系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)，使用可編程數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，這樣精度大大提高，并且整個(gè)系統(tǒng)只包括四個(gè)模塊，單片機(jī)系統(tǒng)、紅外傳感器、LCD顯示以及按鍵模塊。方案三的整個(gè)工作原理系統(tǒng)通過(guò)在單擺最低點(diǎn)處放上紅外傳感器，裝置的紅外傳感器與單擺小球的平衡位置處于一條水平線(xiàn)上，通過(guò)紅外傳感器對(duì)小球經(jīng)過(guò)平衡位置的瞬間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)小球經(jīng)過(guò)設(shè)定周期數(shù)的最后一個(gè)平衡位置時(shí)瞬時(shí)計(jì)時(shí)，從而得到單擺系統(tǒng)運(yùn)行的累計(jì)周期數(shù)的時(shí)間，這樣就能通過(guò)計(jì)算平均值得到相應(yīng)的單擺運(yùn)動(dòng)周期，從而實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)。方案三使用以單片機(jī)為控制核心的方案，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算處理。單片機(jī)是一種微處理器芯片，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)與邏輯運(yùn)算的能力，有豐富的外設(shè)資源。而目前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越普及，目前應(yīng)用非常廣泛，基本上生活中的電子設(shè)備使用的控制技術(shù)都離不開(kāi)單片機(jī)技術(shù)。目前單片機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的產(chǎn)品中。目前，單片機(jī)在各行各業(yè)應(yīng)用非常廣泛，市面上很多產(chǎn)品都是以單片機(jī)作為主控芯片。智能儀器領(lǐng)域中，因?yàn)閱纹瑱C(jī)體積較小，在工作時(shí)功耗低，控制和運(yùn)算能力強(qiáng)大，并且方便擴(kuò)展使用，目前在智能儀器領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。配合不同的傳感器可以設(shè)計(jì)出不同的檢測(cè)儀器。配合AD采樣芯片可設(shè)計(jì)用于測(cè)試電壓的儀器。配合精密采樣電阻或者霍爾傳感器，設(shè)計(jì)電流的檢測(cè)儀器；配合DHT11溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)溫濕度檢測(cè)儀器，其他很多物理量的測(cè)量都可以通過(guò)傳感器加上單片機(jī)的方案實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，目前像很多機(jī)電設(shè)備，電機(jī)控制器等都是使用的單片機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)體積較小，在工作時(shí)功耗低，控制和運(yùn)算能力強(qiáng)大，并且方便擴(kuò)展使用。在電機(jī)控制中，單片機(jī)外設(shè)豐富，主頻高，運(yùn)算能力強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)精確的控制。工業(yè)設(shè)備中，目前很多國(guó)產(chǎn)PLC系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)以及變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是應(yīng)用單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制。在家用電器領(lǐng)域，生活中只要用到的電器需要用到控制的基本上都使用了單片機(jī)。家家戶(hù)戶(hù)都需要用到的空調(diào)，就是通過(guò)單片機(jī)獲取溫度傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。家用掃地機(jī)器人、智能教育機(jī)器人以及微波爐等，都是單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行智能控制。目前生活中幾乎所有的電子產(chǎn)品都會(huì)有單片機(jī)集成的模塊，手機(jī)，目前幾乎人手一部，手機(jī)的系統(tǒng)里至少有兩個(gè)及以上單片機(jī)集成的模塊。汽車(chē)作為出行工具，在汽車(chē)的控制系統(tǒng)中，至少有50多個(gè)單片機(jī)模塊。高鐵系統(tǒng)中，至少上百個(gè)單片機(jī)模塊工作。因此，單片機(jī)無(wú)論在任何領(lǐng)域，都有非常廣泛的應(yīng)用。2.2方案對(duì)比及方案確定在2.1節(jié)中分析了三個(gè)方案進(jìn)行單擺計(jì)時(shí)，其中方案一與方案二相比方案三偏復(fù)雜，并且需要的人為參與數(shù)據(jù)處理，而方案三只需要通過(guò)安鍵下發(fā)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的觸發(fā)命令，后續(xù)不需要人為干擾，整個(gè)系統(tǒng)可自動(dòng)完成測(cè)試，并將測(cè)試的結(jié)果通過(guò)顯示屏LCD顯示出來(lái)，另外，在測(cè)試前還可修改測(cè)試周期次數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，綜上所述，本文的設(shè)計(jì)選用方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案三種系統(tǒng)核心是單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)的相關(guān)內(nèi)容在2.1節(jié)中有提到，本設(shè)計(jì)所選用的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的STC89C52單片機(jī)。LCD選用1602,紅外傳感器使用光敏二極管。本章小結(jié)本章節(jié)針對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器系統(tǒng)進(jìn)行了方案分析，根據(jù)三個(gè)方案進(jìn)行了方案系統(tǒng)驗(yàn)證，最終根據(jù)智能化以及簡(jiǎn)單的特點(diǎn)選擇了方案三，以單片機(jī)為控制核心的單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。第3章單元電路設(shè)計(jì)第2章節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，最終選用了以單片機(jī)為核心的智能自動(dòng)計(jì)時(shí)器，本章節(jié)將在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器電路，并同時(shí)對(duì)子模塊電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析。3.1單板實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器硬件設(shè)計(jì)根據(jù)第2章節(jié)設(shè)計(jì)的單板實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)方案框圖，得到如下圖3-1的單板實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器硬件圖。圖3-1單板實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器硬件圖如圖3-1所示，單板實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器硬件包括六大模塊，單片機(jī)、紅外傳感器接收電路、最小系統(tǒng)、按鍵電路、紅外傳感器發(fā)射電路以及LCD顯示電路。核心單片機(jī)主要是接收實(shí)驗(yàn)開(kāi)始命令，然后通過(guò)IO控制紅外傳感器發(fā)射光線(xiàn)，檢測(cè)紅外傳感器傳回的IO信號(hào)，根據(jù)IO信號(hào)的變換記錄時(shí)間，實(shí)時(shí)檢測(cè)IO信號(hào)變換的次數(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的檢測(cè)次數(shù)是否相等，待檢測(cè)完成后單片機(jī)計(jì)算出單擺周期。最小系統(tǒng)主要包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及程序下載口。主要是保證單片機(jī)正常工作。紅外傳感器接收電路是接收紅外傳感器發(fā)射電路發(fā)出的紅外光線(xiàn)，如果單擺不擋住光束時(shí)，紅外傳接收感器電路導(dǎo)通，如果光束被擋住時(shí)，紅外傳接收感器電路斷開(kāi)。此過(guò)程配合單片機(jī)檢測(cè)紅外傳感器接收電路連接的IO來(lái)記錄單擺運(yùn)行的周期。按鍵電路有三個(gè)按鍵，一個(gè)主要用于觸發(fā)系統(tǒng)開(kāi)始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一個(gè)是增加需要測(cè)試的單擺周期數(shù)，一個(gè)是減小單擺的周期數(shù)。紅外傳感器發(fā)射電路是發(fā)射紅外光束的，搭配紅外傳感器接收電路使用。LCD顯示主要用于顯示實(shí)驗(yàn)中的已測(cè)試周期次數(shù)以及實(shí)驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)行總時(shí)間和最后計(jì)算得到的單擺周期結(jié)果顯示。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)主控芯片是STC89C52，STC89C52的FLASH大小為8KByte，存儲(chǔ)EEPROM為4KByte，STC89C52是一種非常普及的單片機(jī)，8位的處理器架構(gòu)，IO數(shù)目達(dá)到了32個(gè)，3個(gè)16位的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器模塊，4個(gè)外部中斷，是一種低功耗的控制芯片，目前在市面上用的非常多，并且在高校的很多電子競(jìng)賽都是使用此種芯片。這種芯片的開(kāi)發(fā)資料多，教學(xué)視頻非常齊全，因此選擇此類(lèi)單片機(jī)，對(duì)于本課題的開(kāi)發(fā)非常方便。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)，復(fù)位電路晶振電路以及程序下載口。電源系統(tǒng)，主控芯片主要是通過(guò)3.3V供電，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要通過(guò)電源轉(zhuǎn)換專(zhuān)用芯片使主控芯片獲得相應(yīng)的工作電源。圖3-2電源轉(zhuǎn)換電路圖如圖3-2所示，通過(guò)專(zhuān)用電源芯片AMS1117，將輸入的5V電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定3.3V輸出，給主控芯片供電。復(fù)位電路，就是當(dāng)系統(tǒng)在上電的過(guò)程中可以控制CPU重啟，或者通過(guò)引出復(fù)位按鈕進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位就是為了是系統(tǒng)完全啟動(dòng)完成后CPU開(kāi)始工作，防止CPU在系統(tǒng)處于不確定狀態(tài)時(shí)，錯(cuò)誤的接收或者發(fā)送指令，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作，因此復(fù)位可以保證系統(tǒng)正常的工作。任何電子產(chǎn)品或者控制系統(tǒng)用到單片機(jī)作為主控芯片，都需要設(shè)計(jì)復(fù)位電路，從而確保整個(gè)電路正常工作。復(fù)位電路設(shè)計(jì)的水平直接影響了系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性。有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了程序跑飛或者程序無(wú)緣無(wú)故自動(dòng)啟動(dòng)，其中有部分原因是因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題導(dǎo)致的。系統(tǒng)電路在剛上電時(shí)都需要對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位的操作，復(fù)位操作后單片機(jī)就是重新開(kāi)始工作。主要作用就是防止系統(tǒng)運(yùn)行混亂。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)復(fù)位，系統(tǒng)的程序就要重新開(kāi)始運(yùn)行。目前在程序中結(jié)合硬件常用的復(fù)位方式就是看門(mén)狗復(fù)位，目前很多單片機(jī)都有看門(mén)狗這個(gè)模塊，就是當(dāng)系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間就會(huì)自動(dòng)喂狗，一旦程序跑死機(jī)了，看門(mén)狗模塊沒(méi)有檢測(cè)到喂狗，看門(mén)狗系統(tǒng)就會(huì)強(qiáng)制重啟系統(tǒng)，使程序重新運(yùn)行。系統(tǒng)CPU復(fù)位主要有上電復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位、掉電復(fù)位以及外部電路復(fù)位。上電復(fù)位就是系統(tǒng)每次在上電時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行復(fù)位操作，系統(tǒng)在上電過(guò)程中，系統(tǒng)的電源是逐步建立的過(guò)程，在此過(guò)程中，系統(tǒng)各電路模塊都會(huì)進(jìn)行初始化，單片機(jī)系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行初始化，整個(gè)程序都是重新開(kāi)始運(yùn)行。上電復(fù)位上電復(fù)位就是直接給產(chǎn)品上電，電源上電的過(guò)程是逐漸上升的曲線(xiàn)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程不是瞬間的完成的，一上電時(shí)候系統(tǒng)進(jìn)行初始化，此時(shí)振蕩器開(kāi)始工作并提供系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)正常工作?？撮T(mén)狗復(fù)位，看門(mén)狗定時(shí)器CPU內(nèi)部系統(tǒng)，它是一個(gè)自振式的RC振蕩定時(shí)器，與外圍電路無(wú)關(guān)，也與CPU主時(shí)鐘無(wú)關(guān)，只要開(kāi)啟看門(mén)狗功能也能保持計(jì)時(shí)，該溢出時(shí)候也會(huì)溢出，并產(chǎn)生復(fù)位。在程序設(shè)計(jì)時(shí)一般控制系統(tǒng)都會(huì)增加看門(mén)狗復(fù)位的功能，防止系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的bug導(dǎo)致程序跑飛或者進(jìn)入死循環(huán)中。在系統(tǒng)初始化時(shí)開(kāi)啟看門(mén)狗功能初始化，這個(gè)過(guò)程會(huì)定義多長(zhǎng)時(shí)間不給看門(mén)狗發(fā)送信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入看門(mén)狗初始化。在程序設(shè)計(jì)中，一般大概100ms系統(tǒng)會(huì)給看門(mén)狗模塊一個(gè)信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)“喂狗的過(guò)程”，如果程序正常運(yùn)行，每隔100ms系統(tǒng)會(huì)喂一次狗，但是如果系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)后，看門(mén)狗模塊沒(méi)有收到喂狗信號(hào)，并且累加時(shí)間超過(guò)了看門(mén)狗模塊的設(shè)定時(shí)間，看門(mén)狗模塊就會(huì)強(qiáng)制重啟系統(tǒng)，使系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)行程序。因此看門(mén)狗復(fù)位主要是用于針對(duì)軟件設(shè)計(jì)bug導(dǎo)致的死機(jī)問(wèn)題。外圍電路復(fù)位是一種用戶(hù)可操作的強(qiáng)制復(fù)位方式，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部不能復(fù)位時(shí)可用此方式。整個(gè)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，就是使用RC電路，如下圖3-3所示，當(dāng)按鍵按下電路接通后，連接到系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)RST被強(qiáng)制拉高，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到復(fù)位引腳低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位操作，當(dāng)松開(kāi)按鍵后系統(tǒng)結(jié)束復(fù)位操作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。本系統(tǒng)為了方便執(zhí)行復(fù)位操作，設(shè)計(jì)采用外圍電路復(fù)位，如圖3-3所示。圖3-3復(fù)位電路圖當(dāng)按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到RST引腳為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位操作，當(dāng)按鍵被釋放開(kāi)后，系統(tǒng)檢測(cè)到RST恢復(fù)高電平，系統(tǒng)結(jié)束復(fù)位操作，進(jìn)入正常啟動(dòng)狀態(tài)。晶振電路也可以被稱(chēng)為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘電路，芯片的工作時(shí)鐘參考一般都是由晶振提供的，整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘都是由晶振提供，例如延時(shí)多長(zhǎng)時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)算指令的機(jī)械周期，都是由晶振決定的。因此，時(shí)鐘相當(dāng)于控制系統(tǒng)的心臟，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供了非常重要的作用。本設(shè)計(jì)選用的晶振參考芯片手冊(cè)推薦，選用的11.0592MHZ的晶振。時(shí)鐘電路如圖3-4所示。圖3-4晶振電路圖以上是對(duì)本設(shè)計(jì)以STC89C52主控芯片為核心的最小系統(tǒng)電路，綜上所述，得到STC89C52芯片的為核心的最小系統(tǒng)電路圖如3-5所示。圖3-5單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3LCD顯示電路LCD1602液晶顯示屏目前在電子設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛。LCD1602是一種字符型顯示的液晶顯示模塊，它由多個(gè)模塊集成組合，主要由用于顯示的字符液晶顯示屏、接收MCU指令的控制和驅(qū)動(dòng)的電路以及擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路，將結(jié)構(gòu)件以及對(duì)應(yīng)的電阻和電容就組成了LCD1602液晶顯示模塊。針對(duì)不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的LCD1602所采用的芯片會(huì)有差異,但是目前市面上的所有LCD1602的但使用方法都是同一種方式的。在目前市場(chǎng)上,為了降低模塊的成本,很多都是直接將LCD構(gòu)成部分做到板子上。LCD顯示的原理是液晶顯示由很多個(gè)顯示單元組成在一起顯示。例如LCD顯示屏一共有64行，總共128列，因?yàn)?個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)8列，那么一行需要的字節(jié)數(shù)128/8=16，即一行對(duì)應(yīng)16個(gè)字節(jié)，整個(gè)LCD對(duì)應(yīng)16*64=1024個(gè)字節(jié)。根據(jù)行列的坐標(biāo)，每個(gè)字節(jié)負(fù)責(zé)控制對(duì)應(yīng)位置的亮暗。LCD1602一般有兩種，背光和不背光，主要是在晚上無(wú)燈光時(shí)系統(tǒng)是否需要通過(guò)LCD顯示。LCD總共有16個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有不同的功能。其中引腳1接地，作為電源5V的地接入，是LCD1602與電源工地，避免電源影響顯示屏工作。引腳2與引腳1配合使用，引腳2是接直流5V電源，主要給模塊供電，因此，引腳1和2是作為模塊的電源線(xiàn)引腳。引腳3主要用于調(diào)整LCD屏的亮度，模塊根據(jù)接入的電平實(shí)現(xiàn)LCD屏亮度的調(diào)整，當(dāng)接入5V時(shí)，此時(shí)LCD屏幕亮度最弱，將引腳3直接接地，則LCD亮度最強(qiáng)，在設(shè)計(jì)LCD模塊時(shí)，為了將LCD亮度調(diào)整合適，一般都接一個(gè)電阻電位器進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)整阻值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD模塊亮度的調(diào)節(jié)。引腳4為L(zhǎng)CD模塊的寄存器操作引腳，當(dāng)引腳4接高電平時(shí)，此時(shí)LCD工作在數(shù)據(jù)寄存器模式，當(dāng)引腳4接低電平時(shí)，LCD工作在指令寄存器模式，因此，單片機(jī)通過(guò)控制引腳4的電平實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD寄存器模式的控制。引腳5為讀或?qū)懙男盘?hào)線(xiàn)，LCD模塊根據(jù)引腳5的電平實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入或數(shù)據(jù)傳出。當(dāng)引腳5為高電平時(shí)，此時(shí)可對(duì)LCD進(jìn)行讀操作，為低電平時(shí)，對(duì)LCD進(jìn)行寫(xiě)操作。因此，當(dāng)需要對(duì)LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)或指令的讀或者寫(xiě)操作時(shí)，MCU可操作引腳4和5實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD模塊的操作。引腳6主要是使能LCD模塊執(zhí)行相應(yīng)指令，當(dāng)引腳6有下降沿發(fā)生時(shí)，LCD模塊執(zhí)行控制系統(tǒng)的命令，即更新顯示內(nèi)容。引腳7至引腳14，這8個(gè)引腳主要用于數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚴请p向的，MCU如果與LCD傳輸數(shù)據(jù)，就是通過(guò)這8個(gè)引腳進(jìn)行并行傳輸數(shù)據(jù)。MCU控制LCD1602需要使用模塊的命令進(jìn)行寫(xiě)或者讀操作，因此，LCD1602的具體命令由引腳4、5以及7~14控制，則可概括為指令為10位的二進(jìn)制數(shù)字，即引腳4、5、14~7為BIT9~BIT0，具體命令如下所示。清屏指令，用于清除LCD的顯示內(nèi)容，執(zhí)行此指令后LCD顯示內(nèi)容全部被清除，并且光標(biāo)會(huì)自動(dòng)復(fù)位到初始坐標(biāo)00H處。清屏指令是“01H”。當(dāng)MCU像LCD模塊發(fā)送01H指令時(shí)，LCD會(huì)執(zhí)行清屏指令。光標(biāo)復(fù)位指令，用于復(fù)位光標(biāo)到初始坐標(biāo)00H處。復(fù)位指令碼為“00H”。輸入方式設(shè)置指令，用來(lái)控制光標(biāo)移動(dòng)的方向以及顯示內(nèi)容的移動(dòng)。主要由BIT0~BIT2實(shí)現(xiàn)命令的控制。BIT2為1，BIT1控制光標(biāo)的移動(dòng)方向，高則向右移動(dòng)，低則向左移動(dòng)。BIT0表示整體顯示內(nèi)容是否跟隨光標(biāo)移動(dòng)，高則跟隨光標(biāo)移動(dòng)，低則不移動(dòng)。顯示開(kāi)關(guān)控制命令，用于控制LCD顯示屏是否顯示內(nèi)容。由BIT0~BIT3控制顯示開(kāi)關(guān)控制命令。BIT3為1，BIT2控制顯示內(nèi)容是否顯示，BIT2位1時(shí)顯示，為0時(shí)關(guān)閉顯示。BIT1用于控制光標(biāo)是否顯示，為1則顯示，為0則關(guān)閉光標(biāo)功能。BIT0用于控制光標(biāo)是否閃爍，為1閃爍，為0則關(guān)閉光標(biāo)閃爍。光標(biāo)或字符移位控制指令，由BIT0~BIT4控制，BIT4為1，BIT3控制移位，為1時(shí)移動(dòng)顯示的字符，為0時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。功能設(shè)置指令，用于設(shè)置LCD模塊是幾位數(shù)據(jù)通信，由BIT0~BIT5控制，BIT5為1，當(dāng)BIT4為1時(shí)，LCD模塊為4位數(shù)據(jù)通信模塊，當(dāng)BIT4為0時(shí)，LCD模塊為8位數(shù)據(jù)通信。圖3-6LCD1602實(shí)物圖圖3-7LCD顯示電路如圖3-7，LCD1602液晶模塊的控制都是通過(guò)指令來(lái)完成的。如讀/寫(xiě)操作、顯示屏和光標(biāo)的處理，都通過(guò)相應(yīng)的指令編程操作LCD模塊的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LCD1602模塊總共有8根數(shù)據(jù)線(xiàn)和3根控制線(xiàn)E，RS和R/W作為片選信號(hào)與單片機(jī)MCU相連后即可正常工作。一般產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用中只是通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)LCD1602中寫(xiě)入命令和數(shù)據(jù)。因此，可將LCD1602的R/W讀/寫(xiě)線(xiàn)的選擇控制端直接接地，這樣在電路設(shè)計(jì)時(shí)可節(jié)省1根數(shù)據(jù)線(xiàn)。VO引腳是調(diào)節(jié)液晶對(duì)比亮度的，需要連接一個(gè)10kΩ的電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶屏對(duì)比度的調(diào)整，或在確定亮度調(diào)整完成的前提下，用對(duì)應(yīng)阻值的電阻從該引腳接地的方法進(jìn)行調(diào)整。3.4光敏二極管電路光敏二極管，其實(shí)就是一種光探測(cè)器，它可以將光根據(jù)使用方式，轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)。光敏二極管和常用的二極管都是一個(gè)方向才能導(dǎo)通的元器件，但是光敏二極管在電路設(shè)計(jì)時(shí)，是需要反向接入系統(tǒng)中應(yīng)用。它是通過(guò)一個(gè)光敏的PN結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)導(dǎo)通，即利用光敏PN結(jié)對(duì)光的敏感性，通過(guò)光的強(qiáng)弱改變光敏二極管電路的電流。

光敏二極管，就是我們通常所說(shuō)的光電二極管，它是一種能夠?qū)⒐飧鶕?jù)人們所要使用的方式，轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)的光探測(cè)器，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它就是一種探測(cè)器。它的管芯通常使用一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，PN結(jié)對(duì)光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦?，而且?dāng)光強(qiáng)不同的時(shí)候會(huì)自動(dòng)的改變電學(xué)特性，因此，可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。光敏二極管在使用上除了用做開(kāi)關(guān)的方式之外還有很多其他的功能。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)IO的狀態(tài)，獲取光敏二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能。光敏二極管的電路圖如圖3-8所示。圖3-8光敏二極管電路圖本章小結(jié)本章主要是設(shè)計(jì)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器的硬件電路，對(duì)每個(gè)電路模塊的完成的功能進(jìn)行了分析。單片機(jī)主要是記錄時(shí)間以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，紅外傳感器主要是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)檢測(cè)單擺完成的周期，LCD用于顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，按鍵是設(shè)置檢測(cè)的周期以及產(chǎn)生系統(tǒng)觸發(fā)命令。本章節(jié)并且對(duì)系統(tǒng)的模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析。第4章軟件程序設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)，將系統(tǒng)需要完成的動(dòng)作通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)為單片機(jī)可識(shí)別的內(nèi)容。C語(yǔ)言是一種面向過(guò)程并且相對(duì)抽象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中應(yīng)用非常廣泛。一般C語(yǔ)言寫(xiě)的項(xiàng)目程序編譯簡(jiǎn)單。C語(yǔ)言是不需要任何運(yùn)行環(huán)境支持就能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。C語(yǔ)言可跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可以在嵌入式平臺(tái)中使用，也可以在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上使用。C語(yǔ)言的特點(diǎn)就是語(yǔ)言簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富，可讀性和可移植性強(qiáng)。C語(yǔ)言相對(duì)于匯編而言執(zhí)行效率沒(méi)有匯編高，但是在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中使用C語(yǔ)言相對(duì)匯編簡(jiǎn)單，并且代碼的可讀性比匯編優(yōu)越很多，對(duì)于多人開(kāi)發(fā)一個(gè)項(xiàng)目的程序，C語(yǔ)言有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目程序的維護(hù)性也較高。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，目前單片機(jī)的很多例程都是使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，借用例程可以減小系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，也可以進(jìn)一步保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成。4.2單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器軟件流程設(shè)計(jì)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器整個(gè)工作流程可描述為系統(tǒng)通過(guò)在單擺最低點(diǎn)處放上紅外傳感器，裝置的紅外傳感器與單擺小球的平衡位置處于一條水平線(xiàn)上，通過(guò)紅外傳感器對(duì)小球經(jīng)過(guò)平衡位置的瞬間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)小球經(jīng)過(guò)設(shè)定周期數(shù)的最后一個(gè)平衡位置時(shí)瞬時(shí)計(jì)時(shí)，從而得到單擺系統(tǒng)運(yùn)行的累計(jì)周期數(shù)的時(shí)間，這樣就能通過(guò)計(jì)算平均值得到相應(yīng)的單擺運(yùn)動(dòng)周期，從而實(shí)現(xiàn)單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)。測(cè)試人員按下開(kāi)始按鈕，此時(shí)當(dāng)擺球第一次擋了紅外傳感器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)擋的次數(shù)為設(shè)置周期的4倍時(shí)，系統(tǒng)停止計(jì)數(shù)，此時(shí)LCD的測(cè)試數(shù)據(jù)不再改變，會(huì)自動(dòng)計(jì)算得到單擺周期。根據(jù)系統(tǒng)的工作流程，可得到系統(tǒng)的軟件流程圖如下圖4-1所示。圖4-1單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器軟件流程框圖如圖4-1，系統(tǒng)的初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IO初始化、LCD初始化以及定時(shí)器初始化。系統(tǒng)是一直處于循環(huán)運(yùn)行，因此，當(dāng)系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)的執(zhí)行程序不會(huì)結(jié)束。4.2系統(tǒng)計(jì)時(shí)軟件流程由4.1小節(jié)可知，系統(tǒng)在接收到按鍵的觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)始工作，進(jìn)入計(jì)時(shí)測(cè)試模式。根據(jù)系統(tǒng)計(jì)時(shí)的動(dòng)作得到如下圖4-2的系統(tǒng)計(jì)時(shí)軟件流程圖。圖4-2系統(tǒng)計(jì)時(shí)軟件流程圖如圖4.2，開(kāi)始按鍵觸發(fā)了系統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)紅外傳感器的IO動(dòng)作并記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并且系統(tǒng)根據(jù)IO動(dòng)作的次數(shù)與設(shè)定的周期進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)IO動(dòng)作的次數(shù)等于設(shè)定周期的4倍時(shí)，系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)，LCD停止更新顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到單擺系統(tǒng)的周期并在LCD上穩(wěn)定顯示。4.3按鍵模塊軟件流程設(shè)計(jì)按鍵是系統(tǒng)的重要組成部分，是人機(jī)交互接口的輸入部分，在本系統(tǒng)中，測(cè)試人員需要通過(guò)按鍵設(shè)置單擺實(shí)驗(yàn)的測(cè)試周期數(shù)，對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)測(cè)試的周期進(jìn)行調(diào)整，包括測(cè)試周期增加、減小，除此之外，測(cè)試人員需要通過(guò)按鍵觸發(fā)系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，處理按鍵模塊的程序流程如圖4-3所示。圖4-3按鍵模塊軟件流程圖本章小結(jié)本章節(jié)主要設(shè)計(jì)了單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器的軟件流程設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件包括三個(gè)部分，系統(tǒng)初始化、按鍵模塊以及單擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)模塊。本章節(jié)對(duì)單擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)模塊以及按鍵模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析，并完成了流程框圖的設(shè)計(jì)。第5章 實(shí)物設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第2章節(jié)設(shè)計(jì)了單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器的方案，并對(duì)方案的工作流程進(jìn)行了分析，第3章節(jié)對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)每個(gè)模塊的作用簡(jiǎn)要分析，第4章節(jié)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件程序，本章節(jié)將在2、3、4章節(jié)的基礎(chǔ)上完成實(shí)物的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并完成單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)。5.1單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器實(shí)物組成圖5-1單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器實(shí)物組成圖如圖5-1所示，單擺實(shí)驗(yàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器實(shí)物組成由5部分，單片機(jī)系統(tǒng)、紅外傳感器、單擺系統(tǒng)、LCD顯示以及按鍵。其中按鍵的從左至右開(kāi)始，第一個(gè)按鍵是“開(kāi)始”按鍵，觸發(fā)系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，第二個(gè)為增加檢測(cè)實(shí)驗(yàn)周期數(shù)，第三個(gè)為減小檢測(cè)周期數(shù)。圖5-2LCD數(shù)據(jù)顯示圖根據(jù)圖5-2LCD的數(shù)據(jù)顯示圖知，Time是開(kāi)始測(cè)量第一次檢測(cè)到紅外傳感器動(dòng)作時(shí)間開(kāi)始，一直到系統(tǒng)檢測(cè)到檢測(cè)周期到達(dá)的最后一次紅外傳感器動(dòng)作時(shí)間。如圖所示，即系統(tǒng)在4個(gè)單擺運(yùn)行周期里的總共時(shí)間是4.4s。右上角的“04”是設(shè)定的檢測(cè)周期數(shù)，“T”是系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)后，已經(jīng)檢測(cè)到的單擺運(yùn)動(dòng)的半周期數(shù)，t則是檢測(cè)完成系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的單擺周期時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為單擺系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)LCD的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為0，當(dāng)測(cè)試人員按下“開(kāi)始”按鍵后，LCD上的數(shù)據(jù)開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)記錄的檢測(cè)周期數(shù)達(dá)到了設(shè)定的周期數(shù)時(shí)，LCD上顯示的檢測(cè)次數(shù)不會(huì)再改變，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)累計(jì)的時(shí)間計(jì)算得到單擺周期t。5.2硬件調(diào)試按照原理圖焊接完電路板的電源部分，其他部分先不焊接。對(duì)只有電源部分的電路板進(jìn)行上電，用萬(wàn)用表測(cè)試5V和3.3V電源。圖5-35V電源測(cè)試結(jié)果圖圖5-43.3V電源測(cè)試結(jié)果圖在圖5-3和圖5-4中，分別為電源的測(cè)試結(jié)果，從數(shù)據(jù)上分析，滿(mǎn)足電路的電源設(shè)計(jì)。電源調(diào)試完成后焊接余下電路，然后用萬(wàn)用表測(cè)試電源和地是否出現(xiàn)短路，沒(méi)有短路就上電，然后燒錄程序，如果程序能正常運(yùn)行，則可進(jìn)行代碼功能調(diào)試。5.3系統(tǒng)功能調(diào)試電路調(diào)試完成后，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)試。首先，在KEIL編譯環(huán)境下開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的代碼。對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)試，主要完成的是對(duì)系統(tǒng)程序的調(diào)試。在程序的編寫(xiě)中非常容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能由于大意一個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)錯(cuò)誤或者多加了一個(gè)空格都會(huì)使程序編譯失敗，因此對(duì)于軟件的調(diào)試必須要有足夠的耐心。在本章中主要對(duì)系統(tǒng)軟件的調(diào)試做介紹及系統(tǒng)實(shí)物結(jié)果做出展示。系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL4軟件，程序編寫(xiě)完成后可進(jìn)入軟件自帶的編譯器中查找代碼編寫(xiě)是否有錯(cuò)誤，如果檢查出錯(cuò)誤可進(jìn)行更改然后編譯程序。如果程序編譯失敗，可進(jìn)入斷點(diǎn)調(diào)試，在斷點(diǎn)調(diào)試的工具欄中逐句對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。在斷點(diǎn)調(diào)試完成后，點(diǎn)擊編譯按鈕對(duì)程序進(jìn)行編譯。對(duì)于系統(tǒng)軟件的編程是比較重要的一點(diǎn)，本系統(tǒng)中采用的編程軟件為KEIL4，這款軟件適用于51系列單片機(jī)的程序編寫(xiě)，采用C語(yǔ)言即可在KEIL軟件進(jìn)行編程。安裝好KEIL軟件后，打開(kāi)軟件即可開(kāi)始編程。首先需要?jiǎng)?chuàng)建工程文件，頁(yè)面窗口右上角的第四個(gè)選項(xiàng)project，點(diǎn)擊這個(gè)菜單下會(huì)出現(xiàn)很多的菜單，我們找到第一個(gè)選項(xiàng)Newuvisionproject即可新建一個(gè)工程文件。在新文件下，可以選擇需要的芯片，然后保存文件。在新建的文件下就可以進(jìn)行程序的編程，點(diǎn)擊左上角的第一個(gè)選項(xiàng)File，完成空白文檔的新建。在KEIL軟件的程序編寫(xiě)中，首要步驟就是定義頭文件，然后保存到工程。在編程中錯(cuò)誤檢查是必不可少的一項(xiàng)，有事因?yàn)槭韬鼍蜁?huì)出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤，在變異后編譯器就會(huì)提示相關(guān)的錯(cuò)誤信息，由于第一次編寫(xiě)程序，出現(xiàn)的錯(cuò)誤較多，因此對(duì)需要對(duì)程序反復(fù)檢查，如果沒(méi)問(wèn)題就可以進(jìn)行編譯，編譯成功后才能生成后綴為.HEX的鏡像文件。