红外线测转速表课程设计

1、学科分类号 本科学生电子课程设计论文题 目 :红外线测转速表 姓 名学 号院 (系专 业 、 年 级指 导 教 师 汪 鲁 才 、 兰 浩 、 杨 小 钨 老 师 2008年 9 月 30 日 说明:评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级,实评总分 90 100分记为 优秀, 80 89分记为良好, 70 79分记为中等, 60 69分记为及格, 60分以下记为不及格。 摘 要关键词 :转速测量 ; 计数器;红外发射接收英文关键词 :the measurement of rotary speed;counter; in frared ray send and incept.摘要 :

2、本文介绍了一种以集成电路为基础的测量电机转速的仪 器。 根据电路原理设计了硬件电路, 这种测量装置能够测量转速范围 较大的转速,是一种很有应用和发展前景的转速测量仪。Absolute : The program and principle of testing engine speed with Integrated circuits is explained.The hardware ci rcuit is designed. The design of circuits prinnciple is gi ven out. This scheme of design, which obtai

3、ns wide applicat ion in measuring engine speed, also has a value of applicat ion and promotion.第 1章 绪 论一、红外线转速表的发展现状与存在的问题红外数字转速仪是一种非接触式, 光电传感的转速计量仪器, 是 代替机械转速表,用来测量转动速率的一种计量仪表。它由光源、光 电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。光电盘随转轴 一同转动 , 光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号 , 然后 通过计数脉冲的频率 , 即可在数显装置上读出旋转轴的转速,在电器 设备中应用十分广泛。但目前我国的转

4、速计量技术与发达国家想比, 在精度上与发达国家还有一定的差距。国家质量监督局的文件显示, 目前在我国工业领域应用的高精度转速计量仪器中, 90%的转速测量 仪的测量准确度只能达到 0.1%左右,而在发达国家的测量精度能达 到 0.05%。二、转速测量技术的发展现状与存在的问题1、转速概述转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量 , 是描述各种旋转 机械运转技术性能的一个重要参量。 在计量学里 , 转速属于导出单位 , 其物理含义为旋转物体在单位时间内转过的转数。 工程中用它来描述 动力机械的运动特性。转速和频率有共同的量纲 , 都是单位时间内某 一量值 (脉冲个数、转数 出现的次数 , 从理论上

5、讲 , 转速值可以直接 和频率值进行比对。测时计数是转速计量的基本方法。在我国 , 转速表 (含转速测量仪等 属依法管理的计量器具。通常用转速标准装置 (本文特指转速标准源 可以完成对各类转速表的检测 / 校准工作。 2、转速表的类型和检测技术转速测量技术随着科学技术的飞速发展 , 在旋转物体速率测量方 式上应用了各种新的技术 , 实现了测量的准确高效、安全便捷。转速 表依据测量方式可分为接触式和非接触式两大类 , 转速表依据工作原 理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式、磁电式等。 目前使用纯机械式转速表的用户已经越来越少 , 并呈现将被电子计数 式转速表逐渐取代的趋势。转速测量范

6、围一般为几十转至几万转 , 测 量准确度大多为 0. 1 %以下 , 极少数产品能达到 0. 05 %。(1 机械式转速表检测中 , 被测转速表通过机械联接或摩擦接触的方式 , 从转速标 准装置输出轴获得标准转速的输入。 检测时应该采取何种联接方式取 决于被检表实际使用时的联接状态。(2 光电式转速表对光电式转速表 , 目前使用的检测装置有两种 :a. 采用转速标准装置 , 将定向反射纸贴于装置的测速盘上 , 由转 速标准装置通过测速盘输出标准转速 , 进行检测。 b. 采用脉冲光源测 速装置来检测光电式转速表。这类检测设备通常由频率信号发生器、频率计数计及一个发光二极管组成。 两种检测装置的

7、工作原理有质的 差别。脉冲光源测速装置能否做为标准 , 在转速界争议较大。(3频闪式转速表频闪式转速表利用的是频闪效应原理。检测此类转速表时 , 需先 在转速标准装置测速盘上做出明显的标记 , 当标准装置转轴的转速与 被测转速表闪光频率相等或成一定倍数关系时 , 转轴上的标记呈现停 留不动的状态 , 这时 , 转速表显示值与频闪象停留序数的乘积即为转 速表的实测值。(4磁电式转速表磁电式转速表利用的是非电量电测的原理 , 它包括磁感应式、电 脉冲式和电动式转速表等。 这类转速表有接触式和非接触式两种。 根 据被测表工作原理的不同 , 所选用的检测方法也不同 , 但是都可在转 速标准装置上进行检

8、测。 磁电式转速表大多由传感器和显示器两部分 组成。 检测接触式转速表时 , 将传感器与转速标准装置转轴连接 , 转轴 旋转时使传感器产生电信号 , 显示器显示的即为转速表实测值。检测 非接触式转速表时 , 应根据传感器的结构原理设法使转速标准装置。 3、 国内转速计量技术存在的问题目前国内使用的转速仪表在测试精度 、 测量范围 、 实现监控性 能价格比等方面均存在明显的缺陷。就非接触式转速表检测中 , 脉冲光源式测速装置能否与转速标准 源装置共存的问题 , 多年来在国内转速计量领域内一直存在着很大的 分歧。一些计量科技人员认为 , 用脉冲光源测速装置作为非接触式转 速表检测的标准装置 , 可

9、以提高测量准确度 , 方法可行。 而另一方则认 为 , 如果此方法可以作为转速标准装置的另一种形式存在 , 势必造成 转速计量领域里的混乱。 比较统一的看法是 :使用转速标准装置 (即标 准转速源 对现有的各类转速表进行检测 / 校准 , 综合考虑了转速表 实际工况 , 更具科学性和合理性。三. 选题意义红外数字转速仪是一种非接触式, 光电传感的转速计量仪器, 是 一种代替机械转速表,用来测量转动速率的计量仪表。它由光源、光 电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。光电盘随转轴 一同转动 , 光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号 , 然后 通过计数脉冲的频率 , 即可在数显装置

10、上读出旋转轴的转速。目前我 国的转速计量技术与发达国家想比, 在精度上与发达国家还有一定的 差距。 国家质量监督局的文件显示, 目前在我国工业领域应用的高精 度转速计量仪器中, 90%的转速测量仪的测量准确度只能达到 0.1%左 右,而在发达国家的测量精度能达到 0.05%。可想而知,两者测量精 度的不一样, 会在产品的质量上产生什么样的结果。 同样由于机械式 转速测量仪的精度上和测量方式上远远比不上光电式转速测量仪, 所 以采用红外数字转速测量仪是转速测量仪器发展的一种不可避免的 趋势。四.本设计的工作在设计红外数字转速表的工作中,总共分为以下步骤:一、搜集资料二、设计电路图,实验仿真三、购

11、买电路元件四、组装调试电路(1、实验仪器有面包板、刨线钳、电源、示波 器、信号发生器。 2、在组装过程中,按照分块进行的原则, 先焊接好第一部分,然后进行检测,确定该部分电路正确后, 在焊接下一部分电路。 例如:先焊接好 1HZ 的时钟信号发生器, 然后加电压,用示波器观察信号输出,再调整电位器,达到要 求的 1HZ 的方波信号后。 接着再组装好剩下的电路部分, 接上 电源及脉冲信号,观察显示,这样可以减少很多焊接错误。 3、在最后调试过程中,发现计数不稳定,仔细检查电路的连 接,没有出错,那就有可能是电路虚焊。五、改进完善电路(例如:整形电路可以用 NE555定时器构成的 施密特触发器整形,

12、 可以用 OP07构成比较器做整形放大电路, 也可以直接用 74LS14构成整形电路。六、写设计报告第 2章 硬件部分简介一、具体方案论证与设计电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的 光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理 , 根据脉冲发生 器发出的脉冲速度和序列 , 测量转速和判别其转动方向。根据脉冲计 数来实现转速测量的方法主要有 :M法 (测频法 、 T 法 (测周期法 和 MPT 法 (频率 P 周期法 。方案1:M 法 (测频法 在规定的检测时间内 , 检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号 的个数来确定转速。 虽然检测时间一定 , 但检测的起止时间具有随 机性

13、, 因此 M 法测量转速在极端情况下会产生 1 个转速脉冲的误 差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数 较大时 , 才有较高的测量精度 , 因此 M 法适合于高速测量。 方案2:T 法 (测周期法 它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时 间来确定转速。 相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频 脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下 , 时间的测量会产生 1 个 高频脉冲周期 , 因此 T 法在被测转速较低 (相邻两个转速脉冲信号时 间较大 时 , 才有较高的测量精度 , 所以 T 法适合于低速测量。 方案 3:M/T 法 (频率 P 周期法 它是同时测

14、量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产 生的转速脉冲信号的个数来确定转速。 由于同时对两种脉冲信号进行 计数 , 因此只要 “同时性” 处理得当 ,M/T 法在高速和低速时都具有较 高的测速精度。本设计要实现在转速范围 0999之间测量转速,所以红外数字 转速仪既要测量低速转速又要测量高速转速, 而 M/T法在高速和低速 时都有较高的精度。由于 M/T 法可在整个速度范围内获得高分辨率 , 可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应。 所以本次设计采用 M/T法。二、主控芯片的简介 74LS48 译码器译码、显示电路是组合逻辑电路中重要的逻辑部件,通常译码器采用的是七段字型译码器,其作用

15、是将输入的 4位 BCD 码 DCBA 译成 与其对应的七段字型输出,用于驱动数码管,显示从 0-9的数字。在 本实验中用来对红外脉冲计数,本实验采用 74LS48译码器,用来驱 动共阴极的发光二极管显示器。下面为 74LS48引脚图及七段数码管 显示系统: 74LS160十进制计数器74LS160是电路集成的、具有异步清零、同步置数、可以保持状 态不变的十进制上升沿计数器 , 其优点是计数速度快。一般采用复位 和置数的方法来实现其他计数器。下面为 74LS160的引脚图: 555时钟发生器555定时器是一种双极型模拟数字兼容的集成器件,只需在其外 部配上少量的阻容元件,就可以构成单稳触发器、

16、多谐振荡器、施密 特触发器等脉冲电路。由于它使用灵活、方便,电源范围大,因而广 泛地应用在波形产生、变换、测量与控制等方面。以下为 NE555管脚 图及内部原理图: OP07运算放大器OP07通过外接两个阻值不同的电阻实现分压,可以构成一个比 较器。只要根据 OP07的输入端电压的最大值和最小电压值,来计算 出两个电阻的阻值, 获得一个界于最大和最小电压的中间值, 输出就 可以得到一个一个高电平和一个低电平,实现整形电路的功能。 三、器件清单 第 3章 电路组成及原理一、测速表原理框图 二、独立设计电路我采用了电子仿真软件 multisim8进行仿真, 获得了大量的实验 数据, 为我们进行实际

17、电路的焊接和电路的调试提供了理论依据。 总 设计电路图见附件。三、红外发射与接收电路组成及原理红外发射电路发射红外线,红外接收管接收红外线,在发射级 产生正弦电压输出, 将此产生的正弦电压经过整形放大电路后形成方 波。电路结构如下图所示: 四、整形电路组成及原理经过红外传感器接收到的信号是正弦信号,不能作为逻辑门的输 入信号。 所以必须要有整形转换电路将正弦信号转换为方波信号。 在 本次实验中,我采用了 OP07构成比较器来进行整形,输入接红外线 的输出信号,输出接到三位的计数器,在通过译码显示。仿真电路图 及输出波形: 电路图 输出波形 五、脉冲计数电路组成及原理将 NE555产生的 1HZ

18、 脉冲信号接入计数器计数。计数器采用 2个 十进制计数器 74LS160D 实现 2位计数 , 当计数到 60,停止计数,实 现一分钟定时功能。电路图如下所示: 六、译码显示电路组成及原理译码显示电路是其中最关键的电路之一。 实验结果能否正确显示 就看译码显示电路接法是否正确。 在实验中我使用的是共阴的七段数 码显示管。 QA 、 QB 、 QC、 QD 的接出线通过 74LS48D4-8译码器译码, 按七段数码显示管的引脚对应接线, 输入接整形后的输出信号。 仿真 电路图如下: 七、时钟电路组成及原理时钟发生电路在电路中起到计时的作用,用来控制计数时间,同 时也控制显示间隔。 所以时钟发生电

19、路在整个电路中起到开关控制电 路。我们在转盘上有 1个标记点,那么每转一圈就会产生 1个脉冲。 假设 1s 转 x 圈,那么每秒就是 x 个脉冲,那么一分钟就是 60x 个脉 冲 60x 个圈。 时钟电路采用 NE555定时器电路产生 1Hz 信号, 将信号 介入由 2个 74LS160D 构成的 60进制计数器, 也就是说一秒钟产生一 个脉冲来控制显示。 一秒钟计数器总共有 60x 个脉冲, 也就是一分钟 转的圈数。 这样就达到了测量转速的目的。 仿真电路图及输出波形如 下所示 : 电路图 输出波形第 4章 结论由于该电路为最基本的测速表, 其所要求的准确度和精确度都不 是很高,而且该电路基

20、本是有数字电路所构成,结构简单,能够进行 仿真,电路接线也简单,因此相比模拟电路还简单得多。该电路最大 的优点是运用 74LS160,相比 74LS90计数速度快一些,减少延时, 提高计数准确度;红外管的灵敏度高,从而减少了测试结果的误差; 它是一种非接触型的测试器,使用安全,方便。整个电路主要以数字 电路为主, 因此相对模拟电路来说误差还是小很多, 只要仿真结果是 正确的,焊接电路不出错,实现其电路功能是比较容易的。本设计中的不足与改进建议:(1产生 1HZ 的时钟信号,电路不够稳定。该电路是由一个 NE555定时器构成的多谐振荡器直接产生 1HZ 的时钟信号,由于电路的频 稳度不是很高,

21、所接的电阻和电容参数的不精确, 从而使得所产生的 频率不稳定。应考虑用频稳度高的石英晶体振荡电路会更好些。(2整形电路是不够理想,延长了测量时间,从而增大了电路误差。(3该测速表的测量范围比较小,只能测出 0999r/min的转速,超 过 999r/min就会出现乱码, 降低其电路的实用性。 可以考虑扩大其电 路的测量范围,提高电路的实用性。(4该电路没有记忆功能,不能把所测的速度保存下来,必须要人 工记录。清零电路不够方便,是由一个单刀开关实现,必须需要手动 清零,而不能自动清零。可以考虑用锁存器实现记忆功能,用延时开 关或一个延时电路自动清零。总之,该电路结构简单,只能用于要求很低的场合,而对于要求比较 高的电路是不实用的。因此还有许多细节的地方需要改进。参考文献1 杜坤梅 . 李铁才 . 机控制技术 M. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社 . 2000 2 谭建成 . 电机控制专用集成电路 M. 北京 : 机械工业出版社 . 19993 李仁定 . 电机的微机控制 M. 北京 . 机械工业出版社 . 19994 李晶皎 . 嵌入式语音技术及凌阳 16位单片机