引言

在科技發(fā)展日異月新的今天，教育是發(fā)展的強大動因。世界已從傳統(tǒng)的工業(yè)文明向知識經(jīng)濟迅速發(fā)展，國與國之間的競爭已逐漸聚焦在知識經(jīng)濟上，發(fā)達國家現(xiàn)在已越來越重視教育場所的功能和空間環(huán)境建設(shè)，逐步將電子信息多功能產(chǎn)品廣泛應用與學校多功能教室建設(shè)中，課堂理解和投影儀教學和投影儀教學所能做到的極為有限，他愛們展示的景象僅僅一閃而過，而我們設(shè)計出來的多功能傳動教學儀可以讓學生親臨其境的看、聽、摸、發(fā)現(xiàn)和思考一些課本的基本知識，在快樂中受到新型科技教育。

1設(shè)計方案

1.1總體設(shè)計構(gòu)想

對于單級齒輪傳動機構(gòu)，假設(shè)主動齒輪的轉(zhuǎn)速=50r/min，從動齒輪的轉(zhuǎn)速=60r/min，主動齒輪的齒數(shù)

=30，從動齒輪的齒數(shù)為=25。

則傳動比

也就是說傳動比等于主動齒輪與被動齒輪的齒數(shù)之比，也等于被動齒輪與主動齒輪的轉(zhuǎn)速之比。對于齒數(shù)而言我們可以看出來，，但對于轉(zhuǎn)速而言就無法直觀的用肉眼觀察了，所以我們采用光電門計數(shù)的方法來改善這一缺陷。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，以在相同時間內(nèi)兩齒輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)不同來計算出這對齒輪傳動比的大小。

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

因此我們在這嚙合齒輪的附近安裝了兩個光電門。這兩個光電門以廢舊的筆芯為支架把它固定在相應的位置，與此同時在齒輪的中心軸處固定一擋光片，這樣每當齒輪轉(zhuǎn)動一周光電門計數(shù)一次，并且可以把信號傳給單片機，經(jīng)過齒輪多次轉(zhuǎn)動后單片機可自行將兩圈數(shù)，和兩圈數(shù)的比值（傳動比）顯示在液晶屏幕上。這樣就可以將傳動比科學的計算并直觀的顯示出來。

具體方案為：針對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，以單片機為核心對光電開關(guān)產(chǎn)生的數(shù)字信號進行運算，從而測得電機的轉(zhuǎn)速，然后用12864LCD液晶顯示屏把電機的轉(zhuǎn)速顯示出來。即通過光電開關(guān)將電機的轉(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)生一個或固定的多個脈沖，并將脈沖送入單片機中進行計數(shù)和計算，就可獲得轉(zhuǎn)速的信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖2系統(tǒng)組成框圖

2.2轉(zhuǎn)動系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中采用對射式光電傳感器測量電機轉(zhuǎn)速。當不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，反之打開。

測裝置按照發(fā)動機上傳感器的實際安裝位置進行安裝。將信號盤固定在電動機轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。測量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當信號盤轉(zhuǎn)動時，光電元件即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。信號盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低。該裝置的優(yōu)點是輸出信號的幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而且可測轉(zhuǎn)速范圍大，一般為1r/s～104r/s以上，精確度高。

2.3信號采集及其處理

被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，變?yōu)殡娮琛㈦娏鳌㈦妷骸㈦姼械饶撤N電參數(shù)的變化值。為了進行信號的分析、處理、顯示和記錄，須對信號作放大、運算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。

2.4單片機處理及顯示電路

用于測量轉(zhuǎn)速的脈沖通過P3.5/T1輸入單片機，用AT89S51的定時計數(shù)器T1對脈沖信號進行計數(shù)，

用定時計數(shù)器T0進行定時，每10ms產(chǎn)生一個中斷對12864LCD液晶顯示屏進行刷新，產(chǎn)生500個中斷后（即5s），進行一次轉(zhuǎn)速處理，再通過單片機對T1的脈沖數(shù)進行運算轉(zhuǎn)換后，用12864LCD液晶顯示屏顯示電機的轉(zhuǎn)速。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1轉(zhuǎn)速測量原理

本設(shè)計采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個數(shù)（即頻率），從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間T（min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m1，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應被測轉(zhuǎn)速為N（r/min），就可算出實際轉(zhuǎn)速值N=60m1/pT，在此采用C語言進行轉(zhuǎn)速測量的編程設(shè)計。

3.2程序設(shè)計及其說明

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

圖3脈沖計數(shù)程序流程圖

程序說明：將定時器設(shè)置為方式1，對外部脈沖進行計數(shù)，并判斷Flag_clac的值。當Flag_calc=1

時，將脈沖的數(shù)值由十六進制轉(zhuǎn)換成十進制，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定時顯示程序流程圖

程序說明：定時器設(shè)置為方式1，定時10ms。當定時達到10ms時，產(chǎn)生中斷，對12864LCD液晶顯示屏進行刷新，顯示轉(zhuǎn)速，并使時間計數(shù)標志T加1。當時間計數(shù)標志T=500時，使Flag_calc置1，取出計數(shù)器在此時間內(nèi)計算的脈沖數(shù)，通過轉(zhuǎn)速計算程序計算得出轉(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)計實物圖及創(chuàng)新點說明

下圖為多功能機械傳動演示儀實物圖，其中左邊部分為單片機及傳動機構(gòu)的部分，右邊為LED顯示屏。

圖5多功能機械傳動演示儀

本次設(shè)計的創(chuàng)新之處有以下幾點：

1）本儀器采用了先進的機電一體化技術(shù)，可將每個齒輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)用光電門和單片機相關(guān)知識，顯示在屏幕顯示器上，直接顯示出這對嚙合齒輪的傳動比

2）結(jié)構(gòu)合理、工藝制作簡單、不僅使演示實驗更加生動形象，而且提高了實驗的精準性，能夠在實現(xiàn)相同功能的條件下，使機械結(jié)構(gòu)更簡單。

3）應用廢舊材料，變廢為寶，經(jīng)濟實惠，低碳環(huán)保，性價比高是一種綠色教學儀器。

結(jié)束語

本文設(shè)計實驗器材適用于大學任何與自動化及機械傳動相關(guān)的課程，以及社會各級熱愛機電傳動學的人士。本儀器也可以進一步的智能化，首先齒輪轉(zhuǎn)動可以由電機帶動，并且電機的啟停，正反轉(zhuǎn)都可以采用遙控功能。本儀器的傳動比不僅可以用數(shù)字顯示出來，理論上還可以用語音報數(shù)的方法直接報出傳動比。因此，本實驗器材的面世這可以使大學課堂的內(nèi)容不僅生動形象，豐富多彩，同時也可以讓更多的同學發(fā)現(xiàn)科學的魅力。