刚体转动惯量测量仪的设计与实现
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第 ２２ 卷 第１ 期 ２０１９ 年 ３ 月
成都工业学院学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＥＮＧＤＵ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
ＤＯＩ:１０. １３５４２ / ｊ. ｃｎｋｉ. ５１－１７４７ / ｔｎ. ２０１９. ０１. ００５
Ｖｏｌ. ２２ꎬＮｏ. １ Ｍａｒ. ꎬ２０１９
刚体转动惯量测量仪的设计与实现
文中基于 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 设计了一套能够实 现刚体转动惯量测量的检测系统ꎮ 基本思路是:利 用光电开 关 传 感 器 来 采 集 周 期 值ꎬ 通 过 串 口 控 制 ＨＸ７１１ ２４ 位 ＡＤ 芯片取得质量值ꎬ借助 ＳＴＭ３２ｆ１０３ 对
数据 进 行 判 断 处 理ꎬ 使 系 统 自 动 计 算 出 最 终 结 果ꎮ 所有流程均在触摸屏上完成ꎬ显示界面友好美观ꎬ操 作方式简洁方便ꎻ同时ꎬ自动化的测量提升了工作效 率ꎬ基本实现了不同刚体转动惯量的测量ꎮ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｙ Ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ＣＨＥＮＧ Ｗａｎｇｂｉｎａꎬ ＬＩＵ Ｓｈｕｏｑｉｎｇａꎬ ＱＵＡＮ Ｓｉｙａｎａꎬ ＬＩＵ Ｂｉｌａｎａꎬ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｑｉａｎｇａꎬ ＹＡＮＧ Ｆａｎｇａꎬ ＯＵ ＸｉａｎｆｅｎｇａꎬＺＨＯＵ Ｊｉａｎｔｉｎｇｂ
１ 系统总体设计
以 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 为核心控制芯片的刚体转 动惯 量 测 量 系 统ꎬ 主 要 包 含 电 源 模 块、 光 电 开 关 模 块、主控模块、Ａ / Ｄ 模块、压力传感器模块、彩屏液晶 显示模块等ꎮ 系统总体设计框图如图 １ 所示ꎮ
转动惯量作为度量刚体转动惯性大小、表征刚 体特征的一个物理量ꎬ在国防、航空、航天以及汽车 等众多工业领域得到了广泛应用ꎬ对其进行测量的 技术在经历长期更替后也日趋成熟ꎮ 随着社会的快 速发展ꎬ人们对刚体转动惯量的测量提出了越来越 高的要求[１] ꎮ 目前市场上普遍应用的刚体转动惯量 检测技术仍存在许多不足ꎬ常常暴露出工作效率低、 检测精度不高等缺陷ꎮ
( ａ������ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻ ｂ������ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒꎬ Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｙｕｅｙａｎｇ ４１４００６ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｍｏｄｅｒｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎꎬ ｉｔ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｏｆ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ. ｂｕｔ Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｔｅｎ ｃａｎｎｏｔ ｆａｉｌ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬ ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ ＳＴＭ３２ｆ１０３ｒｃｔ６ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ. ｔｈｅ Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｔｈｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ. Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙꎬ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｗａｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄꎬ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｆｏｒ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｉｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｍａｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬ ａｎｄ ｈｅｎｃｅ ｉｔ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａꎻＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ꎻｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｉｃｋｕｐꎻｌｅｖｅｌ ｓｗｉｔｃｈ
程望斌ａꎬ刘硕卿ａꎬ全思燕ａꎬ刘碧篮ａꎬ张效强ａꎬ杨 芳ａꎬ欧先锋ａꎬ周建婷ｂ
( 湖南理工学院 ａ.信息科学与工程学院ꎻｂ.信息中心ꎬ湖南 岳阳 ４１４００６)
摘要: 在现代工业应用中ꎬ常常需要对刚体的转动惯量进行精确测量ꎬ而目前常用的测量方法往往不能满足精度和效率要求ຫໍສະໝຸດ Baidu 以 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 单片机为核心ꎬ设计了一套刚体转动惯量测量系统ꎮ 重点介绍了刚体转动惯量测量系统的功能模块和实 现过程ꎬ阐述了系统硬件的设计方法ꎬ分析了系统软件的实现过程ꎬ并对系统功能进行了验证和分析ꎮ 结果表明:设计的刚体 转动惯量测量仪ꎬ可实现对不同刚体转动惯量的精确、高效测量ꎬ具有一定的研究价值和应用价值ꎮ 关键词: 转动惯量ꎻＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ꎻ压力传感器ꎻ电平转换 中图分类号: ＴＰ３９１ 文献标志码: Ａ 文章编号: ２０９５－５３８３(２０１９)０１－００２０－０４
成都工业学院学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＥＮＧＤＵ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
ＤＯＩ:１０. １３５４２ / ｊ. ｃｎｋｉ. ５１－１７４７ / ｔｎ. ２０１９. ０１. ００５
Ｖｏｌ. ２２ꎬＮｏ. １ Ｍａｒ. ꎬ２０１９
刚体转动惯量测量仪的设计与实现
文中基于 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 设计了一套能够实 现刚体转动惯量测量的检测系统ꎮ 基本思路是:利 用光电开 关 传 感 器 来 采 集 周 期 值ꎬ 通 过 串 口 控 制 ＨＸ７１１ ２４ 位 ＡＤ 芯片取得质量值ꎬ借助 ＳＴＭ３２ｆ１０３ 对
数据 进 行 判 断 处 理ꎬ 使 系 统 自 动 计 算 出 最 终 结 果ꎮ 所有流程均在触摸屏上完成ꎬ显示界面友好美观ꎬ操 作方式简洁方便ꎻ同时ꎬ自动化的测量提升了工作效 率ꎬ基本实现了不同刚体转动惯量的测量ꎮ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｙ Ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ＣＨＥＮＧ Ｗａｎｇｂｉｎａꎬ ＬＩＵ Ｓｈｕｏｑｉｎｇａꎬ ＱＵＡＮ Ｓｉｙａｎａꎬ ＬＩＵ Ｂｉｌａｎａꎬ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｑｉａｎｇａꎬ ＹＡＮＧ Ｆａｎｇａꎬ ＯＵ ＸｉａｎｆｅｎｇａꎬＺＨＯＵ Ｊｉａｎｔｉｎｇｂ
１ 系统总体设计
以 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 为核心控制芯片的刚体转 动惯 量 测 量 系 统ꎬ 主 要 包 含 电 源 模 块、 光 电 开 关 模 块、主控模块、Ａ / Ｄ 模块、压力传感器模块、彩屏液晶 显示模块等ꎮ 系统总体设计框图如图 １ 所示ꎮ
转动惯量作为度量刚体转动惯性大小、表征刚 体特征的一个物理量ꎬ在国防、航空、航天以及汽车 等众多工业领域得到了广泛应用ꎬ对其进行测量的 技术在经历长期更替后也日趋成熟ꎮ 随着社会的快 速发展ꎬ人们对刚体转动惯量的测量提出了越来越 高的要求[１] ꎮ 目前市场上普遍应用的刚体转动惯量 检测技术仍存在许多不足ꎬ常常暴露出工作效率低、 检测精度不高等缺陷ꎮ
( ａ������ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻ ｂ������ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒꎬ Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｙｕｅｙａｎｇ ４１４００６ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｍｏｄｅｒｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎꎬ ｉｔ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｏｆ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ. ｂｕｔ Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｔｅｎ ｃａｎｎｏｔ ｆａｉｌ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬ ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ ＳＴＭ３２ｆ１０３ｒｃｔ６ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ. ｔｈｅ Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｔｈｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ. Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙꎬ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｗａｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄꎬ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｆｏｒ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｉｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｍａｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬ ａｎｄ ｈｅｎｃｅ ｉｔ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａꎻＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ꎻｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｉｃｋｕｐꎻｌｅｖｅｌ ｓｗｉｔｃｈ
程望斌ａꎬ刘硕卿ａꎬ全思燕ａꎬ刘碧篮ａꎬ张效强ａꎬ杨 芳ａꎬ欧先锋ａꎬ周建婷ｂ
( 湖南理工学院 ａ.信息科学与工程学院ꎻｂ.信息中心ꎬ湖南 岳阳 ４１４００６)
摘要: 在现代工业应用中ꎬ常常需要对刚体的转动惯量进行精确测量ꎬ而目前常用的测量方法往往不能满足精度和效率要求ຫໍສະໝຸດ Baidu 以 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 单片机为核心ꎬ设计了一套刚体转动惯量测量系统ꎮ 重点介绍了刚体转动惯量测量系统的功能模块和实 现过程ꎬ阐述了系统硬件的设计方法ꎬ分析了系统软件的实现过程ꎬ并对系统功能进行了验证和分析ꎮ 结果表明:设计的刚体 转动惯量测量仪ꎬ可实现对不同刚体转动惯量的精确、高效测量ꎬ具有一定的研究价值和应用价值ꎮ 关键词: 转动惯量ꎻＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ꎻ压力传感器ꎻ电平转换 中图分类号: ＴＰ３９１ 文献标志码: Ａ 文章编号: ２０９５－５３８３(２０１９)０１－００２０－０４