论文题目：单摆实验自动计时器的设计制作 摘 要本文介绍了一种新颖的智能单摆试验仪的设计方法，它是基于STC89C52为核心，利用液晶显示技术输出显示摆长，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。该方法具有测量快，精度高，成本低，体积小，使用方便等优点，提高了单摆实验质量。【关键词】单摆实验；单片机；液晶显示【论文类型】应用型Title：The design of automatic timer in pendulum experimentMajor：Electronic science and technology Name：Shao wenwen Signature： Supervisor：Li Xuhong Signature： ABSTRACTThis paper introduces a novel designing method of intelligent simple pendulum experimental apparatus, which is based STC89C52 as the core, outputs and displays pendulum length, period and acceleration of gravity by using LCD display technology. Plus 1, minus 1 and enter buttons can control the number of simple pendulum when passing the Equilibrium position. The small simple pendulum ball swings to the lowest point and blocks the laser, a significant difference of Photosensitive resistors resistance makes the voltage level which is outputted from the Schmitt trigger linked by NE555 changes, and use the rising edge of pulse signal to control MCU, counting 20ms timer interrupt can be calculated the total time of the pendulum swing, So they can find the period T and the acceleration of gravity g. this method has many advantages of fast measuring, high precision, low cost, small volume, convenient use, etc. It can improve the quality of the pendulum experiment.【Key words】Simple pendulum experiment；MCU；LCD display【Type of Thesis】Application type前 言单摆实验仪已广泛应用于工业测量，中大学的实验教学等领域。作为一种精密的测量仪器，单摆试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试验仪，与传统的单摆试验仪相比，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学要求。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。该课题的设计要求是：1） 最多可记录9个摆动周期；2） 最大计时99.9秒；3） 分辨率为0.1秒。由于市场上电子元器件的品种多样，利用电子技术设计实验单摆仪的方法多种多样，但要实现自动化控制，其基本思路是不变的，首先要采集单摆摆动到某一固定位置的电平信号，经过多次往复可以计算出平均周期，所以必须要有一个采集信号电路。另外的一个主要模块就是对信号的处理并输出显示，本课题也是紧扣这两条主线而提出的一种设计方法。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。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，也遇到了很多的小问题，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。目 录1 单摆仪测量原理及设计方案11.1 测量原理11.2设计方案11.2.1信号产生电路模块设计21.2.2 信号输入单片机方式31.2.3显示输出41.3总设计框图和电路图62 硬件设计及工作原理72.15V直流电源的组成72.2信号产生92.2.1 激光产生及参数分析92.2.2 光接收及信号波形整形102.3 STC89C52单片机组成及外部扩展112.3.1 STC89C52单片机的结构112.3.2STC89C52单片机最小系统组成112.3.3 时钟电路和复位电路122.3.4 液晶显示扩展技术132.3.5 单片机与PC机间的通信152.4Proteus软件仿真162.4.1 Proteus ISIS简介162.4.2 Proteus运行流程162.4.3系统设计和调试 163 程序设计193.1C与8051193.2设计思路及流程图203.3源程序设计224毕业设计总结27致谢附录参考文献1.单摆仪测量原理及设计方案1.1 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： (1-1)因此可以通过测量单摆简谐运动的周期T，得到其频率： (1-2)给出摆长可以测得重力加速度： (1-3)根据以上物理学知识，可知单摆实验仪的关键在于能够准确测量单摆运动的周期或频率，单摆摆长一般处于0.1m-1m之间，由式（1-1）计算可得： 可知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。1.2 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1-1所示。图1-11.2.1 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。1) 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。2) 红外线接收电路。由于红外接收发送波长需匹配，所以在接收过程中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。CX20106是红外接收专用集成电路芯片,图1-2是该芯片控制的一种红外接收电路。图 1-2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。较之方案一，方案二的电路结构简单，易实现，成本低.图1-3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。图 1-31.2.2 信号输入单片机方式方案一：输入单片机的脉冲信号，可以作为外部中断信号，STC89C52单片机有6个中断源，包括三个定时/计数器溢出中断，两个外部中断和一个串行口输入中断。在本课题中，若采用中断控制，其基本思路可以是这样实现，当单摆摆到最低点时，有信号产生并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。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。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。1.2.3 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。方案一： LED发光器件一般常用的有2类：数码管和点阵。数码管分共阴和共阳两种，一般8字型,分为A B