纵振动机制及材料弹性模量测定研究
纵振动机制及材料弹性模量测定研究[20200419155335]
摘要
随着我国科技、经济、社会的快速发展，弹性模量测定研究已经普遍应用于建筑材料、工程力学、工程结构等领域。
本设计在纵振法弹性模量测试原理分析的基础上,通过引入单片机系统,完成材料弹性模量的测定。系统以单片机AT89C51作为硬件的主控部件，结合LM324信号采集放大电路、555信号整形电路以及数码管显示电路组成材料弹性模量的测定研究装置。
论文首先分析了纵振动测量的数学机制，介绍了硬件结构并详细展示了测量软件的设计方法。整个设计简单实用，功能齐全，效果良好。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:AT89C51单片机纵振动弹性模量
目录
1.绪论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 课题意义 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2.设计方案 3
2.1 设计方案论证 3
2.2 设计方案选择 4
2.3 纵振动的数学方法 4
3.硬件系统 6
3.1 单片机最小系统 6
3.2 信号采集与放大电路的设计 7
3.3 驻极体微音器 9
3.4 信号整形电路的设计 9
3.5 显示模块 12
4.软件开发 14
4.1 基础软件Keil、Proteus ISIS 14
4.1.1?Keil C51的使用 14
4.1.2?Proteus ISIS的操作? 14
4.2 软件的设计思路 14
4.3初始化子程序 16
4.3.1方式控制寄存器TMOD设置 16
4.3.2 计数寄存器TH和TL设置 16
4.3.3 外部中断设置 17
4.4 时间测量软件的仿真 18
5.系统调试 22
5.1 系统建立 22
5.2 调试过程 22
5.2.1 软件调试 22
5.2.2 硬件焊接与调试 23
5.3 实践结论 24
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
1.绪论
1.1 课题的背景
弹性模量是工程材料重要的力学性能参数。从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体 抵抗弹性变形的能力；从微观角度来说，弹性模量则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。只要能影响键合强度的因素都会影响材料的弹性模量，如环境温度、键合方式、晶体的结构 、化学成分、微观组织等。因合金 成分不同、冷塑性变形 不同、热处理状态 不同等，金属材料的杨氏模量值会有5%或者更大的波动。但是总体来说，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以一般都把弹性模量作为常数应用在工程中。
弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，弹性模量越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度 。
1.2 课题意义
本次毕业设计是对自动化专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神的最佳手段。虽然传统的弹性模量测定研究内容丰富,但存在载荷大、真实性差等缺点.在和传统方法完全不同的崭新的纵振动测量思路引导下,通过单片机智能化简化了测试步骤及操作过程,提高了材料性能测定研究的效率,有利于对物质现象的观察与分析,而且本文提出的测量弹性模量的动态方法是切实可行的,误差满足工程要求,且此方法对材料不产生损坏,也不受材料质地的限制。因为有些材料是不能用拉伸法测弹性模量的,特别对一些易碎贵重材料,用此法更经济安全。在测量弹性模量的同时,还得到了材料的固有频率值,这对工作在动态环境中的材料也是一个非常重要的参数。此设计以单片机作为其控制核心，控制简单，成本低廉且易于普及。
1.3 课题研究的主要内容
1．设计弹性模量纵振动激振源
只需预先确定型材几何长度L和密度ρ,选择适当的振动固定点并确定相应的谐波振荡频率次数n，纵向激振后测出振荡声信号频率fn。
2. 设计信号采集、信号放大、信号整形电路
利用微音器采集声音信号，信号经过运算放大器放大输入到整形电路中，最终得到脉冲信号。
3. 使用51单片机设计专用的信号频率测量系统
由单片机处理脉冲个数统计及时间测量，从而得到频率值。
4. 设计数据显示器电路
单片机由已知公式计算得到弹性模量E，显示结果。
5. 设计系统全套软件
测试软件由C语言写成，程序主体为信号频率测量。
2.设计方案
2.1 设计方案论证
方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图如图2-1所示：
图2-1 方案一原理框图
方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图2-2所示：
图2-2 方案二原理框图
2.2 设计方案选择
比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，电路原理简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述比较，所以选择了方案一。
2.3 纵振动的数学方法
取横截面积为S的均质型材料为测试对象,其轴向为x轴,使之沿x轴产生纵振动,根据文献可得纵振动波动方程的混和问题为
式（1-1）
其中 ,E为弹性模量, 为材料密度,L为材料长度。当略去 项,其解可写成
式（1-2）
式（1-3）
式（1-4）
分析上述解可得如下结论:
(1)振荡时n取值与型材振荡固定点有关从方程解的位置幅度关系(振幅因子 )看,要使型材稳定振荡,其固定点x必须放在振动节点上,即 ,也即 ，于是可取
， （n为自然数）
摘要
随着我国科技、经济、社会的快速发展，弹性模量测定研究已经普遍应用于建筑材料、工程力学、工程结构等领域。
本设计在纵振法弹性模量测试原理分析的基础上,通过引入单片机系统,完成材料弹性模量的测定。系统以单片机AT89C51作为硬件的主控部件，结合LM324信号采集放大电路、555信号整形电路以及数码管显示电路组成材料弹性模量的测定研究装置。
论文首先分析了纵振动测量的数学机制，介绍了硬件结构并详细展示了测量软件的设计方法。整个设计简单实用，功能齐全，效果良好。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:AT89C51单片机纵振动弹性模量
目录
1.绪论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 课题意义 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2.设计方案 3
2.1 设计方案论证 3
2.2 设计方案选择 4
2.3 纵振动的数学方法 4
3.硬件系统 6
3.1 单片机最小系统 6
3.2 信号采集与放大电路的设计 7
3.3 驻极体微音器 9
3.4 信号整形电路的设计 9
3.5 显示模块 12
4.软件开发 14
4.1 基础软件Keil、Proteus ISIS 14
4.1.1?Keil C51的使用 14
4.1.2?Proteus ISIS的操作? 14
4.2 软件的设计思路 14
4.3初始化子程序 16
4.3.1方式控制寄存器TMOD设置 16
4.3.2 计数寄存器TH和TL设置 16
4.3.3 外部中断设置 17
4.4 时间测量软件的仿真 18
5.系统调试 22
5.1 系统建立 22
5.2 调试过程 22
5.2.1 软件调试 22
5.2.2 硬件焊接与调试 23
5.3 实践结论 24
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
1.绪论
1.1 课题的背景
弹性模量是工程材料重要的力学性能参数。从宏观
弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，弹性模量越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度
1.2 课题意义
本次毕业设计是对自动化专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神的最佳手段。虽然传统的弹性模量测定研究内容丰富,但存在载荷大、真实性差等缺点.在和传统方法完全不同的崭新的纵振动测量思路引导下,通过单片机智能化简化了测试步骤及操作过程,提高了材料性能测定研究的效率,有利于对物质现象的观察与分析,而且本文提出的测量弹性模量的动态方法是切实可行的,误差满足工程要求,且此方法对材料不产生损坏,也不受材料质地的限制。因为有些材料是不能用拉伸法测弹性模量的,特别对一些易碎贵重材料,用此法更经济安全。在测量弹性模量的同时,还得到了材料的固有频率值,这对工作在动态环境中的材料也是一个非常重要的参数。此设计以单片机作为其控制核心，控制简单，成本低廉且易于普及。
1.3 课题研究的主要内容
1．设计弹性模量纵振动激振源
只需预先确定型材几何长度L和密度ρ,选择适当的振动固定点并确定相应的谐波振荡频率次数n，纵向激振后测出振荡声信号频率fn。
2. 设计信号采集、信号放大、信号整形电路
利用微音器采集声音信号，信号经过运算放大器放大输入到整形电路中，最终得到脉冲信号。
3. 使用51单片机设计专用的信号频率测量系统
由单片机处理脉冲个数统计及时间测量，从而得到频率值。
4. 设计数据显示器电路
单片机由已知公式计算得到弹性模量E，显示结果。
5. 设计系统全套软件
测试软件由C语言写成，程序主体为信号频率测量。
2.设计方案
2.1 设计方案论证
方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图如图2-1所示：
图2-1 方案一原理框图
方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图2-2所示：
图2-2 方案二原理框图
2.2 设计方案选择
比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，电路原理简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述比较，所以选择了方案一。
2.3 纵振动的数学方法
取横截面积为S的均质型材料为测试对象,其轴向为x轴,使之沿x轴产生纵振动,根据文献可得纵振动波动方程的混和问题为
式（1-1）
其中 ,E为弹性模量, 为材料密度,L为材料长度。当略去 项,其解可写成
式（1-2）
式（1-3）
式（1-4）
分析上述解可得如下结论:
(1)振荡时n取值与型材振荡固定点有关从方程解的位置幅度关系(振幅因子 )看,要使型材稳定振荡,其固定点x必须放在振动节点上,即 ,也即 ，于是可取
， （n为自然数）
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