竞赛论文样板-多普勒效应实验设计-广东工业大学-.doc

广东省第十一届大学生物理实验设计大赛设计报告 学 校：_ 广东工业大学_ 学 院： 物理与光电工程学院 参赛题目：利用多普勒效应原理测量重力加速度参赛队员：佘旭佳 陈镜锋 郑俊波 林志成 莫冠棠 指导教师： 苏成悦 黄继才 2010年9月利用多普勒效应原理测量重力加速度目 录第1节 引言 21.1 重力加速度测量仪的概述21.2 基本设计原理与计算公式1第2节 重力加速度测量仪的硬件结构设计3 2.1T89C51单片机及其引脚说明32.2信号发射与接收模块52.3信号处理模块72.4数码管显示模块102.5电源模块102. 6红外开关112. 7装置支架11第3节 软件设计123.1 信号处理 123.2数码管显示14第4节 结束语 15基于51单片机的重力加速度测量仪第1节 引言本应用系统设计的目的是通过在“单片机原理及应用”课堂上学习的知识，以及查阅资料，培养一种自学的能力。并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。1.1重力加速度测量仪的概述重力加速度测量仪是测量重力加速度的一种简便的测量仪器。它是一种用十进制数字显示重力加速度的数字测量仪器。它的基本功能是测量重力加速度，另外它也可以测量物体的速度和发出和接受的超声波频率。该仪器使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，方法简便。基本设计原理是直接用十进制数字显示重力加速度的一种测量装置。1.2 基本设计原理与计算公式 我们知道，观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数若波源不动，物体着朝向波源以速度V2运动，由于相对速度增大而使单位时间内通过观察者的完全波的个数增多，即f2（vv2）（vV2）（vf） （1V2v）f，可见接收的频率增大了。同理可知，当物体被离波源运动时，接受频率将减小。那么当小球相对超声波发射探头远离时，小球反射的频率为f2（1V2v）f。在而超声波的发生频率是固定的，频率可以根据地面反射的波的频率事先确定，那么v=*f是可确定的，也就可以得出小球的下落速度V2。再经过不同高度红外开关，我们可以得出各个高度（小球的位移）下小球的速度，也就可以算出加速度a.第2节 重力加速度测量仪的硬件结构设计 2.1 AT89C51单片机及其引脚说明89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器, 一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。引脚说明：VCC：电源电压GND:地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表1所示:端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2 (外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0）P3.5T1（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器都选通）表1 P3口的第二功能RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。在本次设计中，采用89C51作为CPU处理器，充分利用其硬件资源，结合D触发器CD4013，分频器CD4060，模拟转换开关CD4051，计数器74LS90等数字处理芯片，主要控制两大硬件模块，量程切换以及显示模块。下面还将详细说明。2.2超声波的发射与接收模块一、 超声波的发射1电路图如图所示图中，超声波探头选用TCT40-10T，40kHz的超声波由NE555振荡电路产生，根据振荡电路频率公式：确定电路中各参数的值。R2采用可调电阻，调整它的阻值可以使振荡频率与超声波探头的40kHz固有频率一致，为保证 555定时器具有足够的驱动能力，采用+12V电源，复位端子(NE555的第4脚)接单片机发送的超声波发射控制信号TXD。TXD为高电平时使电路发射超声波，反之,为低电平时则使电路停止发射超声波。2 NE555介绍 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。a. NE555的特点有：1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。5.静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mAb. NE555引脚位功能配置说明下：图1-2 NE555各脚功能-管脚图Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。3超声波探头介绍. 适用范围：家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声测距及汽车倒车防撞装置；液面探测；超声波近接开关 及其它应用的超声波发射与接收。命名规则：型 号：TCT 40 16 T (或R)类别：TC压电陶瓷超声波传感器；T通用性； - T发射/R接收外径：16代表16mm（直径，此种用的最广泛）外壳材料：铝外壳颜色：银色/黑色（喷漆） 具体参数：中心频率：40KHz输出声压：115dB接收灵敏：-65dB静电容量：2000发射束角：80o探测距离：0.215m知识误区：探测距离和精度首先要根据目标选好一个电路是至关重要的前提。2.3信号处理由于TCT40-R接收回来的信号时微小的正弦波，要经过处理后才能让单片机去计算它的频率，因此我们采用了两极放大，第一级接的是运放,引进负反馈，让其放大一百倍，此时的输出的信号仍是正弦波，不过幅值已经大大的提高了，第二级也是接LF356，不过没有引进负反馈，让其直接放大，由于运放的放大倍数非常大，所以输出的波形为方波，波形比较稳定，不过此时的波形有正有负，单片机处理不了，因此在输出端再加上一个二极管，将负电压部分去除掉，这样输出的为高低电平，刚好可以让单片机处理。而且两级都是反相输入，所以最后输出的与输入得同相。电路图如图所示1 等精度频率计由于本设计中，小球落地的时间短暂，以及所计速度，需为瞬时量，所以，传统的测频法和测周法，其精度将无法保障。所以，我们采用了等精度测量方案电路结构图如下：其中ACOUNTER是由单片机内部计数器T1构成的16位计数器，BCOUNTERSHI是由单片机内部计数器T0和外部硬件构成的高速计数器(50MHz)。A_EN和B_EN分别是它们的计数允许信号端，低电平有效。待测频率信号经前端放大，限幅和整形后，从A_COUNTE的时钟输人端ACLK输入，设其频率为Fx；基准信号从计数器BCOUNTER的时钟输入端BCLK输入，测量频率为F0。测量开始，首先单片机发出个清零信号CLR，使外部计数器和D触发器置0，然后单片机再发出允许测频命令，即使预置门控信号GATE为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的下降沿通过，Q端才被置0，即使AENA和BENA同时为0，将启动计算器ACOUNTER和BCOUNTER，系统进入计算允许周期。这时，计数器ACOUNTER和BCOUNTER分别对被测信号和标准频率信号同时计数。当T秒过后，预置门控信号被单片机置为低电平，但此时2个计数器仍然没有停止计数，一直等到随后而至的被测信号的下降沿到来时，才通过D触发器将这2个计算器同时关闭。GATE的宽度和发生的时间，都不会影响计数使能信号。允许计数的周期，总是恰好等于待测信号F1的完整周期，所以整个系统在被测信号这是不会产生误差的。系统的主要误差来自标准信号，由于标准信号是由高稳定度的50MHz晶体振荡器发出的，所以任何时刻的绝对测量误差也只有1O-8。2 设计实现硬件实现主要由以下部分组成：单片机控制部分；同步门控制电路；计数电路。计数电路原理图如下：其中Fx为待测信号，F0为标准50M时钟信号。单片机控制部分主要完成测量过程的控制、测量结果的处理。单片机选用STC89C52，其中P10, P11, P13用于控制同步门D触发器74LS74产生同步的闸门信号，用P12对74LS390组成的计数器以及D触发器清零。一次计数完成后单片机通过控制两片74LS244读取被测信号与标准信号的低位计数值以及单片机的TO、T1中的计数值。然后单片机对计数值进行运算处理。基准信号计数器由前后两级组成，前级由双4位异步计数器74LS390级联构成四位十进制事件计数器；后级由AT89C52单片机内的定时计数器构成十六位二进制时间计数器。开始测量，单片机P12发清零指令，使计数器清零。P13发复位信号，J为低电平，K为高电平，使得Q为高电平。当J,K端翻转，D触发器翻转，Q端变为低电平，Fx与FO分别与Q或非。然后进入各自的计数器计数，同时开始延时。设定的闸门时间到，J,K端翻转，随后D触发器在待测信号的下降沿到来时再次翻转， 由低电平变为高电平，闸门关闭，计算机停止计数。 2.4数码管显示模块2.5电源模块LM7805和LM7905构成的正负电压输出电路78和79系列分别是正电压和负电压串联稳压集成电路，体积小、集成度高、线性调整率和负载调整率高，在线性电源时代占领了很大市场。LM7805为固定+5 V输出稳压集成电路(采取特殊方法也可使输出高于5 V)，最大输出电流为1 A，标准封装形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成电路应用相对固电路形式简单，只是正负直流电压输出时应注意变压器最小输出功率和最小输出电压，如图1所示。 根据能量守恒原则，在理想状态下电源输入输出功率相等。在实际中，考虑铜损和其他元器件的损耗电源的输出功率小于输入功率。78系列和79系列稳压前后直流电压差为23 V。由于为正负双电源输出，稳压前后直流电压差应为56 V。2.6红外开关1. 红外对管常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93m ）。管压降约1.4V ，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。本电路中白色为发射管，黑色为接收管。接收管在自然状态下电阻为无穷大，接收到红外线后电阻可降为几百到2k不等。2.7装置支架第3节 软件设计主要能过编写软件来控制硬件完成以下各模块的功能：超声波发射与接收 信号处理 数码管显示3.1 信号处理void pinglv()sound=1;LED=0;open=0;J=0;K=1;open=1;delay(2000); TMOD=0X55; /设定TO，T1为16位计数器 TL1=0X00; /待测信号从0计数 TH1=0X00;TH0=0x00;TL0=0x00;TR0=1;TR1=1;ET0=1;ET1=1;clear=1;clear=0; /73hc390清零结束，进入计数状态EA=1; /总开关K=0;J=1;sound=0;delay(2);play();while(1);/*check(); /等待红外线开关spread(); /超声波第一次发射while(); /当接收到第一次返回信号时候open=0; /计数开始while(1); /等待第一次中断 H1=TH1; /读取脉冲数 L1=TL1; clear=1; clear=0; /计数器清零结束，进入计数状态 TL0=0xFE; /标准信号采样64次下降沿产生中断，共计时间500X10000X1/50M=100MS 作为2次速度的时间间隔 TH0=0X0C; while(1); /等待第二次中断 clear=1; clear=0; /计数器清零结束，进入计数状态 TL0=0xFE; /标准信号采样64次下降沿产生中断，共计时间500X10000X1/50M=100MS 作为2次速度的时间间隔 TH0=0X0C; spread(); /超声波第二次发射 while(); /当接收到第二次返回信号时候 open=0; /计数开始 while(1); /等待第三次中断 H2=TH1; /读取第2次的脉冲数 L2=TL1;3.2数码管显示C程序代码数码管段码程序代码 2009-10-28 10:36:33 阅读397 评论0 字号：大中小 接法为：Px.0Px.7-ahunsigned char code distab16=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, /共阴数码管段选码表，无小数点 0x7f,0x6f,0x77,0x7