引言

在科技發(fā)展日異月新的今天，教育是發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)因。世界已從傳統(tǒng)的工業(yè)文明向知識(shí)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)已逐漸聚焦在知識(shí)經(jīng)濟(jì)上，發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在已越來(lái)越重視教育場(chǎng)所的功能和空間環(huán)境建設(shè)，逐步將電子信息多功能產(chǎn)品廣泛應(yīng)用與學(xué)校多功能教室建設(shè)中，課堂理解和投影儀教學(xué)和投影儀教學(xué)所能做到的極為有限，他愛(ài)們展示的景象僅僅一閃而過(guò)，而我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的多功能傳動(dòng)教學(xué)儀可以讓學(xué)生親臨其境的看、聽(tīng)、摸、發(fā)現(xiàn)和思考一些課本的基本知識(shí)，在快樂(lè)中受到新型科技教育。

1設(shè)計(jì)方案

1.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)想

對(duì)于單級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，假設(shè)主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速=50r/min，從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速=60r/min，主動(dòng)齒輪的齒數(shù)

=30，從動(dòng)齒輪的齒數(shù)為=25。

則傳動(dòng)比

也就是說(shuō)傳動(dòng)比等于主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪的齒數(shù)之比，也等于被動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速之比。對(duì)于齒數(shù)而言我們可以看出來(lái)，，但對(duì)于轉(zhuǎn)速而言就無(wú)法直觀的用肉眼觀察了，所以我們采用光電門(mén)計(jì)數(shù)的方法來(lái)改善這一缺陷。齒輪模型如下圖所示。

圖1齒輪模型示意圖

1.2工作原理

本文以嚙合齒輪為主體，以在相同時(shí)間內(nèi)兩齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)不同來(lái)計(jì)算出這對(duì)齒輪傳動(dòng)比的大小。

概念、基本理論和基本方法。并充分啟發(fā)學(xué)生的想象能力為出發(fā)點(diǎn)。

因此我們?cè)谶@嚙合齒輪的附近安裝了兩個(gè)光電門(mén)。這兩個(gè)光電門(mén)以廢舊的筆芯為支架把它固定在相應(yīng)的位置，與此同時(shí)在齒輪的中心軸處固定一擋光片，這樣每當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周光電門(mén)計(jì)數(shù)一次，并且可以把信號(hào)傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)齒輪多次轉(zhuǎn)動(dòng)后單片機(jī)可自行將兩圈數(shù)，和兩圈數(shù)的比值（傳動(dòng)比）顯示在液晶屏幕上。這樣就可以將傳動(dòng)比科學(xué)的計(jì)算并直觀的顯示出來(lái)。

具體方案為：針對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，以單片機(jī)為核心對(duì)光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后用12864LCD液晶顯示屏把電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)。即通過(guò)光電開(kāi)關(guān)將電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成0，1的數(shù)字量，只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或固定的多個(gè)脈沖，并將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)和計(jì)算，就可獲得轉(zhuǎn)速的信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由AT89c51單片機(jī)處理系統(tǒng)、電機(jī)、傳感器檢測(cè)單元、信號(hào)處理單元和顯示系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成，如圖2:

圖2系統(tǒng)組成框圖

2.2轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用對(duì)射式光電傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，反之打開(kāi)。

測(cè)裝置按照發(fā)動(dòng)機(jī)上傳感器的實(shí)際安裝位置進(jìn)行安裝。將信號(hào)盤(pán)固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)著信號(hào)盤(pán)。測(cè)量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且測(cè)量頭兩端的距離與信號(hào)盤(pán)的距離相等。測(cè)量用器件封裝后，固定裝在貼近信號(hào)盤(pán)的位置，當(dāng)信號(hào)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件即可輸出正負(fù)交替的周期性脈沖信號(hào)。信號(hào)盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。因此，脈沖信號(hào)的頻率大小就反映了信號(hào)盤(pán)轉(zhuǎn)速的高低。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的幅值與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，而且可測(cè)轉(zhuǎn)速范圍大，一般為1r/s～104r/s以上，精確度高。

2.3信號(hào)采集及其處理

被測(cè)物理量經(jīng)過(guò)傳感器變換后，變?yōu)殡娮?、電流、電壓、電感等某種電參數(shù)的變化值。為了進(jìn)行信號(hào)的分析、處理、顯示和記錄，須對(duì)信號(hào)作放大、運(yùn)算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。

2.4單片機(jī)處理及顯示電路

用于測(cè)量轉(zhuǎn)速的脈沖通過(guò)P3.5/T1輸入單片機(jī)，用AT89S51的定時(shí)計(jì)數(shù)器T1對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，

用定時(shí)計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行定時(shí)，每10ms產(chǎn)生一個(gè)中斷對(duì)12864LCD液晶顯示屏進(jìn)行刷新，產(chǎn)生500個(gè)中斷后（即5s），進(jìn)行一次轉(zhuǎn)速處理，再通過(guò)單片機(jī)對(duì)T1的脈沖數(shù)進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)換后，用12864LCD液晶顯示屏顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

本設(shè)計(jì)采用頻率測(cè)量法，其測(cè)量原理為，在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)（即頻率），從而算出實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測(cè)量時(shí)間T（min），計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖個(gè)數(shù)m1，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為N（r/min），就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值N=60m1/pT，在此采用C語(yǔ)言進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的編程設(shè)計(jì)。

3.2程序設(shè)計(jì)及其說(shuō)明

本系統(tǒng)用計(jì)數(shù)程序采集信號(hào)脈沖，用定時(shí)器產(chǎn)生中斷，對(duì)12864LCD液晶顯示屏刷新和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，輔以12864LCD液晶顯示屏進(jìn)行顯示。計(jì)數(shù)程序流程如圖15；定時(shí)顯示程序流程如圖3。

圖3脈沖計(jì)數(shù)程序流程圖

程序說(shuō)明：將定時(shí)器設(shè)置為方式1，對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷Flag_clac的值。當(dāng)Flag_calc=1

時(shí)，將脈沖的數(shù)值由十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換后，載入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖4定時(shí)顯示程序流程圖

程序說(shuō)明：定時(shí)器設(shè)置為方式1，定時(shí)10ms。當(dāng)定時(shí)達(dá)到10ms時(shí)，產(chǎn)生中斷，對(duì)12864LCD液晶顯示屏進(jìn)行刷新，顯示轉(zhuǎn)速，并使時(shí)間計(jì)數(shù)標(biāo)志T加1。當(dāng)時(shí)間計(jì)數(shù)標(biāo)志T=500時(shí)，使Flag_calc置1，取出計(jì)數(shù)器在此時(shí)間內(nèi)計(jì)算的脈沖數(shù)，通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)算程序計(jì)算得出轉(zhuǎn)速值后，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供12864LCD液晶顯示屏顯示使用。

4設(shè)計(jì)實(shí)物圖及創(chuàng)新點(diǎn)說(shuō)明

下圖為多功能機(jī)械傳動(dòng)演示儀實(shí)物圖，其中左邊部分為單片機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的部分，右邊為L(zhǎng)ED顯示屏。

圖5多功能機(jī)械傳動(dòng)演示儀

本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處有以下幾點(diǎn)：

1）本儀器采用了先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)，可將每個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)用光電門(mén)和單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，顯示在屏幕顯示器上，直接顯示出這對(duì)嚙合齒輪的傳動(dòng)比

2）結(jié)構(gòu)合理、工藝制作簡(jiǎn)單、不僅使演示實(shí)驗(yàn)更加生動(dòng)形象，而且提高了實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性，能夠在實(shí)現(xiàn)相同功能的條件下，使機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。

3）應(yīng)用廢舊材料，變廢為寶，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，低碳環(huán)保，性?xún)r(jià)比高是一種綠色教學(xué)儀器。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材適用于大學(xué)任何與自動(dòng)化及機(jī)械傳動(dòng)相關(guān)的課程，以及社會(huì)各級(jí)熱愛(ài)機(jī)電傳動(dòng)學(xué)的人士。本儀器也可以進(jìn)一步的智能化，首先齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以由電機(jī)帶動(dòng)，并且電機(jī)的啟停，正反轉(zhuǎn)都可以采用遙控功能。本儀器的傳動(dòng)比不僅可以用數(shù)字顯示出來(lái)，理論上還可以用語(yǔ)音報(bào)數(shù)的方法直接報(bào)出傳動(dòng)比。因此，本實(shí)驗(yàn)器材的面世這可以使大學(xué)課堂的內(nèi)容不僅生動(dòng)形象，豐富多彩，同時(shí)也可以讓更多的同學(xué)發(fā)現(xiàn)科學(xué)的魅力。