程望斌 劉碩卿 全思燕 劉碧籃 張效強(qiáng) 楊芳 歐先鋒 周建婷

摘要：在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，常常需要對(duì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行精確測量，而目前常用的測量方法往往不能滿足精度和效率要求。以STM32F103RCT6單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一套剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量系統(tǒng)的功能模塊和實(shí)現(xiàn)過程，闡述了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法，分析了系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)過程，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精確、高效測量，具有一定的研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；STM32F103RCT6；壓力傳感器；電平轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2019）01-0020-04

Design and Implementation of Measuring Instrument for Rigid Body Moment

of Inertia Measuring Instrument

CHENG Wangbina， LIU Shuoqinga， QUAN Siyana， LIU Bilana， ZHANG Xiaoqianga， YANG Fanga，

OU Xianfenga，ZHOU Jiantingb

（aCollege of Information Science and Engineering； bInformation Center， Hunan Institute of Science and Technology， Yueyang 414006，China）

Abstract：In modern industrial application， it is often necessary to measure the moment of inertia of rigid body accurately. but However， the commonly used measurement methods often cannot fail to meet the requirements of accuracy and efficiency. In this paper， 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. Specifically， the design method of system hardware was expatiated， the realization process of system software was analyzed， 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 distribution， and hence it has certain value in research and application.

Keywords： moment of inertia；STM32F103RCT6；pressure pickup；level switch

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為度量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小、表征剛體特征的一個(gè)物理量，在國防、航空、航天以及汽車等眾多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行測量的技術(shù)在經(jīng)歷長期更替后也日趨成熟。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量提出了越來越高的要求[1]。目前市場上普遍應(yīng)用的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量檢測技術(shù)仍存在許多不足，常常暴露出工作效率低、檢測精度不高等缺陷。

文中基于STM32F103RCT6設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量的檢測系統(tǒng)?；舅悸肥牵豪霉怆婇_關(guān)傳感器來采集周期值，通過串口控制HX711 24位AD芯片取得質(zhì)量值，借助STM32f103對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，使系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出最終結(jié)果。所有流程均在觸摸屏上完成，顯示界面友好美觀，操作方式簡潔方便；同時(shí)，自動(dòng)化的測量提升了工作效率，基本實(shí)現(xiàn)了不同剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以STM32F103RCT6為核心控制芯片的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量系統(tǒng)，主要包含電源模塊、光電開關(guān)模塊、主控模塊、A/D模塊、壓力傳感器模塊、彩屏液晶顯示模塊等。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

首先通過兩個(gè)子功能模塊將待測剛體的扭擺周期、質(zhì)量信息轉(zhuǎn)換成能夠供單片機(jī)處理的電壓和方波脈沖信號(hào)，接著將信號(hào)送往單片機(jī)后由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將采集到的電壓值或方波脈沖信號(hào)重新轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的測量結(jié)果，并通過液晶彩屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)操作簡單，數(shù)字化程度極高。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控模塊，芯片外部的模擬電源輸入端和模擬地輸入端分別采用100 μH的電感與數(shù)字電源、數(shù)字地進(jìn)行了隔離。同時(shí)，芯片內(nèi)部的VCC與GND之間均并聯(lián)一個(gè)10 μF的電容，既可以對(duì)電源進(jìn)行濾波，又能為芯片正常工作儲(chǔ)存足夠的電荷。整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)模塊各司其職、各執(zhí)所長，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。具體來說，電源模塊具有高效率、高穩(wěn)定性、低成本等特性，擁有開機(jī)顯示（發(fā)光二極管）功能和保護(hù)特性，在啟動(dòng)時(shí)可以通過開關(guān)選擇輸入電壓范圍，有效預(yù)防短路和過載。A/D模塊采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)中所提到的HX711芯片，該芯片集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路模塊，且具有其他同類型芯片不具備的集成度高、響應(yīng)速度快、低噪聲、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，降低了電子秤的成本，并提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。壓力傳感器模塊采用壓力傳感器，內(nèi)部設(shè)有過載保護(hù)裝置，精確度高、結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全。

此外，本設(shè)計(jì)使用的漫反射式光電開關(guān)[2]，可以通過光電回路的有無來檢測開關(guān)之間是否含有被檢物體，這里的被檢物體不僅限于金屬，還囊括了所有能反射光線的物體。而通過兩個(gè)子功能模塊將被測的質(zhì)量、周期轉(zhuǎn)換成可供單片機(jī)處理的電壓和方波脈沖信號(hào)，接著送往單片機(jī)后由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將采集到的電壓值或方波脈沖重新轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的測量值并通過彩屏液晶進(jìn)行顯示。文中選用的液晶顯示模塊，是一個(gè)可以接收由觸頭訊號(hào)等輸入的感應(yīng)式液晶顯示裝置。整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，數(shù)字化程度極高。主要硬件設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換模塊[3]與液晶顯示模塊分別如圖2和圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由質(zhì)量測量程序、周期測量程序和數(shù)據(jù)處理程序三大核心程序模塊組成。系統(tǒng)通過I/O模擬通信口對(duì)外部ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采到的電壓值轉(zhuǎn)換成待測剛體的質(zhì)量值。同時(shí)利用內(nèi)部定時(shí)器對(duì)剛體扭擺周期進(jìn)行測量，最后通過編寫基于STM32F103RCT6的嵌入式軟件計(jì)算出剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，且將最終結(jié)果顯示在液晶屏上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

41設(shè)計(jì)思路

以STM32F103RCT6為控制核心的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量系統(tǒng)，是基于三線擺測量原理，使用漫反射光電傳感器E18D80NK檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期值，利用S型拉壓力傳感器MIKLCS1以及外部24位A/D HX711芯片測量剛體的質(zhì)量值，最后由編寫基于STM32F103RCT6的嵌入式軟件計(jì)算出剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，且顯示在液晶屏上，以實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的快捷與可靠。

42模型設(shè)計(jì)

三線擺法憑借其易于實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于質(zhì)量較小的物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量，如比測量小型導(dǎo)彈、小型炮彈、飛機(jī)模型等剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，采用該方法測量比較精確、方便。三線擺模型裝置如圖5所示。

43轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

在圖5中，A、B是兩個(gè)半徑不同的質(zhì)量均勻的圓盤，中間用三根等長線連接而成。下盤可以繞垂直于盤面并通過中心的軸線OO′扭轉(zhuǎn)，同時(shí)B盤質(zhì)心O′也將沿著轉(zhuǎn)動(dòng)軸升降。如果用L表示線長，R和r分別表示系繩點(diǎn)到盤B、A中心的距離，mo表示B盤質(zhì)量。當(dāng)B盤相對(duì)A盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α?xí)r，B盤升高h(yuǎn)。A、B兩盤之間的距離為H。通過計(jì)算可得：

5系統(tǒng)測試與功能實(shí)現(xiàn)

51測試說明

系統(tǒng)誤差包括操作誤差，外在環(huán)境誤差，和儀器誤差等多個(gè)方面。文中以圓環(huán)、磁環(huán)、飛盤為樣本對(duì)系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行測試，通過測量物體的質(zhì)量以獲得實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量值，依靠采集多組數(shù)據(jù)求取平均值，通過合理轉(zhuǎn)化計(jì)算公式以提高系統(tǒng)測量精度。此外，為了便于計(jì)算，實(shí)驗(yàn)中采用近似替換的方法計(jì)算測量值。

52測試流程

采用文中設(shè)計(jì)的檢測裝置對(duì)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量。通過多次改變質(zhì)量標(biāo)稱值，反復(fù)進(jìn)行測量，對(duì)得到的數(shù)據(jù)取平均值，從而減小誤差。剛體質(zhì)量測試與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試結(jié)果分別如表1、表2所示。

53減小誤差的方法

實(shí)驗(yàn)顯示：除環(huán)境因素、公式誤差外，操作也是影響系統(tǒng)測量誤差的極大因素，其主要包括測量周期數(shù)的選擇、長度的測量、晃動(dòng)對(duì)測量結(jié)果的影響等3個(gè)方面。而為了保證測量的盡量科學(xué)與合理，減小實(shí)驗(yàn)誤差就顯得尤為重要[4]。因此在考慮測試方式科學(xué)的基礎(chǔ)上，合理選擇測量周期數(shù)，掌握正確的啟動(dòng)方法以保證三線擺的穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，不斷優(yōu)化測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6總結(jié)

本文以STM32F103RCT6為核心器件，設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量。該系統(tǒng)所采用的先進(jìn)核心平臺(tái)、單層板硬件設(shè)計(jì)，具有集成度高、運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)[5]。此外，其可以利用觸摸進(jìn)行直接控制，界面美觀、操作簡單。在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人們的日常生活中都有廣泛應(yīng)用，因此具有較為廣闊的市場空間與發(fā)展前景[6]。參考文獻(xiàn)：

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