当地重力加速度的测量 毕业论文.doc

i 当地重力加速度的测量 designed of the local gravity acceleration measurement 摘要 本文介绍了基于 stc89c52rc 单片机的测量当地的重力加速度的软、硬件设计方法。系 统先取固定单摆的摆长 1m，然后通过霍尔元件与小球中的磁铁的感应，以摆球偏离平衡 位置 5的位置开始摆动，并以小球经过平衡位置时开始记录摆球经过平衡位置的次数和 时间，待摆球经过平衡位置 60 次（也就是 30 个周期）的时候停止计时，再通过算法计算 出当地的重力加速度；记录次数和时间都是通过中断的方法来实现，时间的计数通过定时 器 0 中断，而次数是通过外部中断来实现；而且本系统还通过用液晶 1602 显示屏将经过 平衡位置的次数 c，所用的时间 t，单摆的摆长 l，重力加速度 g 显示出来；系统由单片 机作为主控器，给出系统的基本原理、组成框图和软件流程，详细描述了霍尔元件的工作 的原理，最后讲述了再软硬件调试中出现的问题，并给出了解决与改进的方法，使系统更 完善。 关键词：重力加速度，单摆，周期，霍尔元件，液晶屏 1602 abstract this paper introduces the stc89c52rc based on single chip microcomputer measurement of the local gravity acceleration design methods of software and hardware. system of a simple pendulum first take fixed long 1 m, and then through the hall element and the magnet ball induction, in order to put the ball from 5 balance position the position of the swinging began, and with small ball after balance position began to take place the ball after balance position number of times and the time, to put the ball through balance position 60 times (also is 30 cycle) stop the clock, again through the algorithm calculated the local gravity acceleration; record number and time is through the interrupt way to implement, the count of time by timers 0 disrupted and the number is through the external interruption to the implementation; and the system also through liquid crystal display with 1602 through the number of balance position c, time used t, a simple pendulum long l, gravity acceleration g display; by single-chip microcomputer system as the main controller and the basic principle of the system is given, the components diagram and software flow chart, a detailed description of the principle of work of the hall element, finally about to software and hardware debugging problems, and gives the solutions to the improvement of the method, make the system more perfect. key words: gravity acceleration，single pendulum，cycle，hall element，lcd screen 1602 ii 目录 摘要 i abstract.i 1.引言 1 2.系统总体方案设计 1 2.1.设计要求 1 2.1.1.设计任务 1 2.1.2.具体要求 1 2.2.系统的硬件实现方案 1 2.2.1.总体设计思路 1 2.2.2.系统结构框图 1 3.系统硬件设计 2 3.1.单片机控制电路设计 2 3.1.1.stc89c52rc 简介 .2 3.1.2.单片机控制电路 2 3.2.电源电路设计 3 3.2.1.电路原理 3 3.2.2.参数的选择 3 3.3.霍尔元件监测电路 3 3.3.1.霍尔元件简介 3 3.3.2.电路工作原理 4 3.3.3 参数选择 4 3.4.显示电路的设计 4 4.系统软件设计 5 4.1.系统软件实现的功能 5 4.2.软件开发平台 5 4.3.实现方法及系统流程图 5 4.3.1 测量重力加速度的实现方法 .5 4.3.2.主程序流程图 6 4.3.3.t0 中断服务程序流程图 .7 4.3.4.int0 中断服务程序流程图 .8 4.3.5.子程序的软件设计 8 5.系统调试 .12 5.1.调试仪器 .12 5.2.硬件调试 .12 5.2.1.基本调试 12 5.2.2.具体电路的调试 12 5.3.软件调试 .13 6.结论 .13 iii 6.1.系统实现的功能 .13 6.2.改进思想 .14 7.结束语 .14 致谢 .14 参考文献 .15 附录 .16 附录一：使用说明 .16 附录二：器件清单 .16 附录三：系统电路总原理图 .16 附录四：印刷板图 .17 1 1.引言 重力加速度 g 是一个反映地球引力强弱的地球物理常数，它跟地球上各个地区的经纬 度、海拔高度及地下资源分布有关（两极的 g 最大，而赤道附近的 g 最小，两者相差约 为 1/300） 。重力加速度的测量在理论、生产和科学研究中都具有重要意义 1 2.系统总体方案设计 2.1.设计要求 2.1.1.设计任务 设计并制作一个测量当地重力加速度的软硬件，并通过液晶显示重力加速度的值。 2.1.2.具体要求 （1）测量当地的重力加速度。 （2）正确理解、应用单摆的周期公式，用一定重量并下方带有磁铁的小球，并且摆角小 于5的情况下测量。 （3）摆单的摆长固定为1m，测量摆球经过平衡位置的次数c、摆球摆动60次（30周期）的 时间t，并实时显示在液晶上，测量结束后将计算后的重力加速度的值显示在液晶上。 2.2.系统的硬件实现方案 2.2.1.总体设计思路 设计不采用基于单片机改进重力加速度测量仪 2,而是利用 51 单片机、单摆和霍尔元 件对系统进行监测并记录相关数据，并通过单摆的摆球的摆动来实时记录数据；当摆球经 过平衡位置时，摆球下得磁铁与霍尔元件相互感应，并外接一个 led1 灯，通过产生一个 电平讯号来使得 led1 灯亮灭 3，便于观测者对系统的监测；当液晶上记录单摆经过平衡 位置的次数为 60（30 个周期）时，对系统不再进行记录数据，而是转入计算当地的重力 加速度，并将结果显示在液晶上。 2.2.2.系统结构框图 如图 1 系统结构框图 2 图 2 引脚图 3.系统硬件设计 3.1.单片机控制电路设计 3.1.1.stc89c52rc 简介 近年来，随着电子技术的迅速发展，单片机技术的出现给现代化工业测控领域带来了 一次新的技术革命。目前，单片机以其可靠性高、性能价格比高，在工业控制系统、智能 化仪器仪表、数据采集系统、办公自动化等诸多领域都得到极为广泛的应用，并已走入家 庭，洗衣机、空调等，到处都可以见得到单片机的踪影，引脚图如图 2。 stc89c52rc 具有以下标准功能：兼容 mcs-51 的指令系统，有 8k 可反复擦写 flash rom，32 个双向 i/o 口，256*8bit 内部 ram，可以编程 uart 串行通道，有共 6 个中断源， 3 级加密位，软件可设置睡眠和唤醒功能，功耗空闲和掉电模式，2 个读写中断口线， 2 个串行中断，3 个可编程定时/计数器中断，时钟频率可用 0-24mhz，看门狗，e 2prom4。 3.1.2.单片机控制电路 单片机控制电路，采用的晶振是 12mhz，可通过按键复位，电路主要 i/o 口分配为： p0 口需外接上拉电阻。 p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。 对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也 被作为低 8 位地址/数据分时复用。在这种模式下，p0 不具有内部上拉电阻。在 flash 编 程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，而且程序校验时，需 要外接上拉电阻 5。 3 (1) 液晶 lcd1602：数据线 p0.0p0.7。 控制线 p2.5、p2.6、p2.。 (2) 霍尔元件： 输出口接 p3.2 。 3.2.电源电路设计 3.2.1.电路原理 如图 3 所示，为电源电路原理图，50hz、220v 的市电经变压器降压后变成 9v 交流 电，经整流二极管构成的桥式整流电路后，把正弦波交流电整流为脉动直流电，该信号经 电解电容 470 充放电后变成带一定纹波的直流电，之后通过 7805 三端稳压块稳压后输f 出 5v 的直流电，为后级电路供电，其中 led0 为电源指示灯。 3.2.2.参数的选择 （1）整流二极管的选取原则为：每个整流二极管平均电流等于 0.5 倍的负载电流； 每个整流二极管反向耐压等于 1.4u2(有效值)。这里选取 1n4007。 （2）电解电容 c1 的选择原则为：电容容量的选择应使电路充放电的时间常数是信号 周期的 35 倍。50hz 的交流电经全桥整流变成脉动直流电，信号周期为 10ms，故而考虑 rlc1=40ms,rl=（0.9u2-0.7）/i l(il为负载电流)。经计算，c1 取 470uf 合适。 （3）7805 是三端稳压块，为在 7805 的输出端获得稳定的输出电压，要求 7805 输入 端电压比输出端电压高 2.5v 以上。 （4）c2、c3 用于消除 7805 三段稳压块的自激，可选用瓷片电容 104。 （5）电解电容 c4 为滤波电容，要求其电容值要小于 c1 的容量，以免掉电时 c5 通过 7805 向 c1 反充电而损坏 78056。 3.3.霍尔元件监测电路 3.3.1.霍尔元件简介 电路如图4所示，电路中霍尔元件的输出端接单片机的外部中断0接口，通过与摆球底 端的磁铁感应，从而开始监测并记录。 如图 3 电源电路原理 图 1 327805 d1d4 c1 470uf/25v c4 220uf/25v c2 104 c3 104 t1 +5vport port led0 r1 330 ac 220v 4 （1）作用：通过霍尔元件与磁铁的感应，能准确的知道摆球经过了平衡位置，再通过单 片机的外部中断0接口采用下降沿触发，并将此中断设置为高优先级，使得单片机系统能 准确的记录摆球经过平衡位置的次数。 （2）工作原理：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,先已经发展成一个品种多样的 磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本系统采用霍尔元件的开关电路的特性，使用时 通过霍尔元件的背面放置一块永久磁体，从而可以与带有磁铁的小球进行感应 7。 （3）而霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置 8。 3.3.2.电路工作原理 在实际电路中，霍尔元件相当于开关，当摆球中的磁铁与其感应时，相当于开关状态， led1灯亮，而没有感应到的时候就处于关闭状态，led1灯不亮；霍尔元件的输出的接至单 片机的 i/o 口，通过检测 i/o 口的高低电平来判断摆球经过与否，进行软件编程，转至计 数、计时模块和计算、显示模块。 3.3.3 参数选择 该部分电路中只有一个 led1灯，故只串接一个330 的限流电阻，以保证其正常工作。 3.4.显示电路的设计 显示电路如图 5 所示，用于显示摆球经过平衡位置的次数、摆球摆动 60 次（30 个周期） 的时间、摆长的长度，重力加速度的理论值，采用液晶 1602 实时显示。 （1）液晶 1602 简介 液晶 1602 是 16 字 x2 行的字符型液晶模块，采用+5v 单电源供电,外围电路配置简单 ,而 且价格便宜，具有很高的性价比。与数码管相比该模块有如下一些优点： a. 可用的位数多，有 32 位，而 32 个数码管体积相当庞大了。 b. 显示的内容丰富，可显示所有数字、字母、符号等 192 种 ascii 码对应的字符。 1 3 2 44e led1 r4330 +5v 件件件件 houe 如图 4 霍尔元件监测记录 5 如图 5 液晶 1602 显示电路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 vc c gn d vo rs r/we db 0 db 1 db 2 db 3 db 4 db 5 db 6 db 7 vc c1 gn d1 lcd1602 +5v c6104 c7104 p0.0p0.7p2.5p2.7 r5 1k c. 编写程序简单，如果用数码管动态显示，需占用很多时间来刷新显示，而 1602 则是 自动完成此功能，从而节约时间。 （2）液晶 1602 的主要引脚功能简介 1 vo:液晶显示器对比度调整端 。如果对比度过高时会产生“鬼影”,若需要对液晶 进行对比度调节的话，可通过一个 10k 的电位器调整对比度。本设计中只串接一个 1k 的 电阻来使液晶的亮度达到合适。 2 rs:寄存器选择。高电平时选择数据寄存器,而低电平时选择指令寄存器。 3 r/w:读写信号线。高电平时进行读操作 ,而低电平时进行写操作。当 rs 和 r/w 同 时为低电平时，可以写入指令或者显示地址；而当 rs 为高电平 r/w 为低电平时,可以写入 数据。 4 e:使能端。当 e 端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令 9。 4.系统软件设计 4.1.系统软件实现的功能 （1）记录单摆摆球经过平衡位置也就是摆球下方的磁铁与霍尔元件背部的感应次数 c， 与相应的时间 t，同时电话号码可实时显示在液晶上。 （2）根据时间 t 得其周期，并用相应的计算子程序，根据重力加速度 1的公式得24lgt 出当地相应的重力加速度，并显示在液晶上。 4.2.软件开发平台 本系统使用 keil 软件进行编程，通过开发板用 stc-isp 编程器烧写程序，程序语言 为汇编。使用的 mcu 为 stc89c52rc，也可以在线进行编程，晶振为 12mhz。 6 4.3.实现方法及系统流程图 4.3.1 测量重力加速度的实现方法 根据 = ，t=30 ， =1m， 1得： 24tlgt*ttlttl ,并保留两位小数，再根据6018401840*3lllt 相应的子程序进行计算。 摆角、摆长及周期数对重力加速度的测量都有很大的误差。摆角越大，产生的误差也 就越大；单摆的摆长过长或过短对测量结果的影响也比较大；周期数太大的话会由于空气 阻力的影响而变大。根据对当地重力加速度的理论计算值的结果比较得知，取摆角 5，摆长取 1m，周期数为 30 时，测量的结果与当地重力加速度的理论值较为接近 10。 4.3.2.主程序流程图 主程序的流程图如图6所示，主循环时间为4ms。在主程序中主要对液晶及相应的寄存 器和标志位进行初始化 ，调用液晶显示子程序，并根据sta状态值进行散转到相应的模块。 8 图 6 主程序流程图 9 4.3.3.t0 中断服务程序流程图 t0 中断服务程序如图 7 所示，当摆球第一次经过平衡位置时，开中断，设置时间为 16.667ms。中断一次则相应的缓冲计数单元加 1，并显示在液晶上。 图 7 t0 中断程序流程图 图 8 int0 中断程序流程图 10 4.3.4.int0 中断服务程序流程图 int0 中断服务程序如图 8 所示，主程序中主要对液晶及相应的寄存器和标志位 jies 进行初始化，调用液晶显示子程序后，当（sta）=0 时，转到计数、计时模块后开中断， 并在 kais 标志位为“1”时，当摆球每一次经过平衡位置时，相应的缓冲计数单元加 1， 并显示在液晶上。 4.3.5.子程序的软件设计 （1）液晶显示的软件设计，流程图如图 9 所示，具体方法如下: a. 如图 10 所示，是叫 display 的子程序的流程图，就是将相关要显示的数据送至液晶 翻译后显示在液晶上。本系统所采用的显示方式是静态显示。 b. 但是当要写数据到液晶时，必须先对 acc.7 位进行判 0，为 0 的话就相当于液晶不在 忙碌状态，可以进行写数据；反之，则必须延时返回继续判定。 （2）无符号双字节、三字节除法子程序的软件设计，流程如图 10 所示。 a. 无符号双字节的除法可采用减法的办法来实现，通过下列公式来实现： (a)(b)-(r7) (r6)=(a)(b) 、 (r5)(r4)+1=(r5)(r4) 、 (a)(b)+(r7)(r6)=(a)(b) 。 图 9 液晶显示程序流程 11 （注解：(a)(b)为被除数和余数、(r7)(r6)为除数、(r5)(r4)为商） 首先先将被除数-除数，够减则商+1，再用余数-除数，还够减则再+1，直到不够减，商不 变，只需要把多减的加回去，也就是式。 入口：(a)(b)(r7)(r6)=(r5)(r4)。 出口：商(r5)(r4)、余数(a)(b)。 b. 无符号三字节的除法的算法同无符号双字节的的除法，通过下列公式来实现： (r7) (a)(b)-(r6)(r5)(r4)=(r7)(a)(b) 、 (r2)(r3)+1=(r2)(r3) 、 (r7)(a)(b)+(r6)(r5)(r5)=(r7)(a)(b) 。 （注解：(r7)(a)(b)为被除数和余数、(r6)(r5)(r4)为除数、(r2)(r3)为商） 首先将被除数-除数，够减则商+1，再用余数-除数，还够减则再+1，直到不够减，商不变， 图 11 无符号双字节乘法 子程序流程图 图 10 无符号双、三字节 除法子程序流程图 12 只需要把多减的加回去，也就是式。 入口：(r7)(a)(b)(r6)(r5)(r4)=(r2)(r3)。 出口：商(r2)(r3)、余数(r7)(a)(b)。 （3）无符号双字节乘法子程序的软件设计，流程如图 13 所示。 算法: 两个双字节无符号数被分别放在 r7、 r6 和 r5、 r4 中。 由于 51 指令中只 有 8 位数的乘法指令 mul, 用它来实现双字节数相乘时, 可把被乘数分解为: (r7)(r6)=(r7)*28+(r6) (r5)(r4)=(r5)*28+(r4) 则这两个数的乘积可表示为: (r7)(r6)*(r5)(r4)=(r7)* 2 8 +(r6)*(r5)* 2 8 +(r4) =(r7)*(r5)*216+(r7)*(r4)*28+ (r6)*(r5)* 28 +(r6)*(r4) =(r04)(r03)(r02)(r01) 显然, 我们将(r6)*(r4)放入(r02)(r01)中, 将(r7)*(r4)和(r6)*(r5)累加到(r03) (r02)中；再将(r7)*(r5)累加到(r04)(r03)中即可得到乘积结果。 入口: (r7 r6)=被乘数；(r5 r4)=乘数；(r0)=乘积的低位字节地址指针。 出口: (r0)=乘积的高位字节地址指针, 指向 32 位积的高 8 位。 工作寄存器: r3、 r2 存放部分积; r1 存放进位位。 （4）双字节压缩 bcd 码转换成二进制码子程序的软件设计，流程图如图 12 所示。 a. 该转换的算法为: (d 3d2d1d0)bcd=(d3*10+d2)*100+(d1*10+d0) 要实现该转换，则先将单字节压缩 bcd 码(d 3d2)转换成二进制码(d 3*10+d2)，则要调用单 字节压缩 bcd 码转换成二进制码子程序来实现。 实现该算法的参考子程序如下: 入口: r5(千位、 百位)、 r4(十位、 个位)为 bcd 码。 出口: r5r4(16 位无符号二进制整数)。 b. 单字节压缩 bcd 码转换成二进制码子程序的转换算法:设两个 bcd 码 d1d0 表示的两 位十进制数压缩存于 r2, 其中 r2 高 4 位存十位, 低 4 位存个位, 要把其转换成纯二进 制码的算法为: (d1d0)bcd=d1*10+d0。 入口: 待转换的 bcd 码存于 r2。 出口: 转换结果（8 位无符号二进制整数）仍存 r2。 13 图 12 双字节压缩 bcd 码转 换成二进制码子程序流程图 14 5.系统调试 5.1.调试仪器 （1）系统调试所用仪器，如表 1 所示： （2）实测数据如表 2 所示： 序号 所测时间 t(s) 测量值 (m/s2) 理论值(m/s 2) 1 60:02 9.82 9.85 2 60:03 9.82 9.84 3 60:05 9.82 9.84 4 60:07 9.82 9.83 5 60:09 9.82 9.83 5.2.硬件调试 5.2.1.基本调试 （1） 在不通电的情况下，用直观的办法和使用万用表电阻挡检查电路板有无断路、虚焊、 短路，元器件是否损坏等情况。 （2） 接通电源时，观察是否有冒烟、烧焦、发热的现象。如果有这些现象，一定先断电， 检查电路板的线路，然后检查元器件。若无上述问题再看该部分能否稳定的输出+5v 的电 压。 （3） 根据 pcb 图，测量相应点的工作电压，并判断电路的工作状态是否正常。将电压表 的黑表笔接地，红表笔的探头移动到各个芯片的各个引脚，检测是否满足理论的工作电压。 5.2.2.具体电路的调试 （1）电源电路：由于7805的输入要比输出高2.5v以上，电路才可以稳定的输出约为5v的 电压，所以交流输入只需接9v左右的交流电压就可以满足。并且实际测得经7805后输出 4.95v的直流电压，说明电路工作正常。 序号 名称 数量 1 变压器 1 2 万用表 1 表 1 系统调试所用仪器 表 2 实测数据 15 （2）霍尔元件监测电路：首先接通电源，将小球靠近霍尔元件的背部，看与其相连接的 led灯会不会亮，会的话则该部分电路正常；反之则不正常，需断开电源再进行检查电路， 看是否有虚焊或者电路接错了，直到该部分电路正常为止。 （3）液晶显示电路：将液晶接入该系统，接通电源看lcd是否会亮，会的话，给该系统个 简单的测试液晶的程序，看是否正常，反之则必须断开电源，并检查，直到正常为止。 5.3.软件调试 （1）显示程序的调试：首先设置使液晶显示特定的内容，比如说“welcome!” ，调节 10k 电位器使对比度达到最高，让内容显示更加清晰。若液晶不显示任何内容，则检查初始化 液晶程序有无错误，所写子程是否符合时序。结果证明最后能够很好的调试出液晶的显示。 （2）除法子程序的调试：先用已知的数据对子程序进行测试，并将结果送至液晶上显示， 若正确则相关子程序的算法正确，若不正确的话则检查子程序的算法或时序是否符合要求， 直到得到的结果正确，方可继续调试其它子程序。 （3）乘法子程序的调试：乘法子程序的调试方法同除法子程序。 （4）压缩 bcd 码转二进制子程序的调试：调试方法与除法、乘法子程序相同。 （5)定时器 t0 中断子程序的调试：将 p3.2 置 0，看液晶上得时间是否在计时，看是否对 应于标准时钟的走时，若液晶上的时间在计时，并且时间与标准时钟同步，则 表明该部 分子程序正确，反之则要再进行调试，看哪里的程序不符合时序或算法，并进行更改，知 道符合要求。 （6）外部中断 0 中断子程序的调试：将底部加有磁铁的摆球摆过霍尔元件，若正确则当 kais 标志位为“1”时，摆球每次经过平衡点，液晶上得计数加 1，直到计数到 60（也就 是 30 个周期） ，计数、计时停止。反之则要进行相应的调试，直到符合要求。 6.结论 6.1.系统实现的功能 通过调试系统最终可以实现计时，计数，霍尔元件的监测，计算出当地的重力加速度。 实现系统一些功能的期间，遇到很多问题，下面给出解决及改进的方法。 （1） 液晶显示的数字不正常。解决方法：在液晶显示子程序（display）中，将要显示 的数转换成 ascii 码。 （2） 系统计数不正常。解决方法：将霍尔元件的输出接外部中断 0 的 io 口 p3.2，并将 外部中断 0 选择为边沿触发方式（下降沿有效） ，并将外部中断 0 的中断设置为高优先级。 16 （3） 液晶显示屏有亮，可屏幕上没有出现预期的数据。解决方法：检查电路发现排阻方 向插反了，后将其焊接正确方向后，屏幕上出现了预期的数据。 6.2.改进思想 可以通过键盘输入对单摆的摆长和摆球经过平衡位置的次数进行任意修改，并通过相 应的计算得出当地的重力加速度。 7.结束语 通过此次的毕业设计，让我重新回顾了以前所学的相关知识，并把大学期间学到的相 关理论知识应用到实际中，并且对相关的知识的达到了系统的认知。此次的设计让我了解 到更多的器件及芯片的资料，遇到了问题想的是先思考、后请教同学或老师，再解决它。 同时也让懂得如何查阅所需要的资料，并删选出所要的相关知识。 此次的毕业设计培养了我持之以恒、脚踏实地，并尽自己最大的努力的做好每一件事 的处世态度。同时它也让我在实践中认识到自己的不足。 致谢 17 参考文献 1 桂林电子科技大学物理实验中心.设计性实验一 重力加速度的测量j.物理实验教 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