紅外線測轉速表課程設計

1、<p>　　學科分類號 </p><p>　　本科學生電子課程設計論文</p><p>　　題 目： 紅外線測轉速表 </p><p>　　姓 名

2、 </p><p>　　學 號 </p><p>　　院 （系） 工 學 院 </p><p>　　專業(yè)、年級 應用電子技術教

3、育 2006級 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2008年 9 月 30 日</p><p><b>　　摘  要</b></p

4、><p>　　關鍵詞：轉速測量;計數(shù)器；紅外發(fā)射接收</p><p>　　英文關鍵詞：the measurement of rotary speed;counter; infrared ray send and incept.</p><p>　　摘要：本文介紹了一種以集成電路為基礎的測量電機轉速的儀器。根據(jù)電路原理設計了硬件電路，這種測量裝置能夠測量轉速范圍較大的轉速

5、，是一種很有應用和發(fā)展前景的轉速測量儀。</p><p>　　Absolute: The program and principle of testing engine speed with Integrated circuits is explained.The hardware circuit is designed. The design of circuits’prinnciple is given ou

6、t. This scheme of design, which obtains wide application in measuring engine speed, also has a value of application and promotion.</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　一、紅外線轉速表的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的

7、問題 </p><p>　　紅外數(shù)字轉速儀是一種非接觸式，光電傳感的轉速計量儀器，是代替機械轉速表，用來測量轉動速率的一種計量儀表。它由光源、光電盤、光敏二極管、檢波放大電路與數(shù)顯裝置等組成。光電盤隨轉軸一同轉動,光敏二極管將光電盤透射來的光信號轉換為電信號,然后通過計數(shù)脈沖的頻率,即可在數(shù)顯裝置上讀出旋轉軸的轉速，在電器設備中應用十分廣泛。但目前我國的轉速計量技術與發(fā)達國家想比，在精度上與發(fā)達國家還有一定的差距

8、。國家質量監(jiān)督局的文件顯示，目前在我國工業(yè)領域應用的高精度轉速計量儀器中，90%的轉速測量儀的測量準確度只能達到0.1%左右，而在發(fā)達國家的測量精度能達到0.05%。</p><p>　　二、轉速測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題</p><p><b>　　1、轉速概述</b></p><p>　　轉速是旋轉物體的轉數(shù)與時間之比的物理量,是描述各

9、種旋轉機械運轉技術性能的一個重要參量。在計量學里,轉速屬于導出單位,其物理含義為旋轉物體在單位時間內轉過的轉數(shù)。工程中用它來描述動力機械的運動特性。轉速和頻率有共同的量綱,都是單位時間內某一量值(脈沖個數(shù)、轉數(shù)) 出現(xiàn)的次數(shù),從理論上講,轉速值可以直接和頻率值進行比對。測時計數(shù)是轉速計量的基本方法。在我國,轉速表(含轉速測量儀等) 屬依法管理的計量器具。通常用轉速標準裝置(本文特指轉速標準源) 可以完成對各類轉速表的檢測/ 校準工作。&

10、lt;/p><p>　　2、轉速表的類型和檢測技術</p><p>　　轉速測量技術隨著科學技術的飛速發(fā)展,在旋轉物體速率測量方式上應用了各種新的技術,實現(xiàn)了測量的準確高效、安全便捷。轉速表依據(jù)測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,轉速表依據(jù)工作原理和采樣方式可分為機械式、光電式、激光式、頻閃式、磁電式等。目前使用純機械式轉速表的用戶已經越來越少,并呈現(xiàn)將被電子計數(shù)式轉速表逐漸取代的趨勢。轉速

11、測量范圍一般為幾十轉至幾萬轉,測量準確度大多為0. 1 %以下,極少數(shù)產品能達到0. 05 %。</p><p>　　（1） 機械式轉速表</p><p>　　檢測中,被測轉速表通過機械聯(lián)接或摩擦接觸的方式,從轉速標準裝置輸出軸獲得標準轉速的輸入。檢測時應該采取何種聯(lián)接方式取決于被檢表實際使用時的聯(lián)接狀態(tài)。</p><p><b>　?。?）光電式轉速表&

12、lt;/b></p><p>　　對光電式轉速表,目前使用的檢測裝置有兩種:</p><p>　　a. 采用轉速標準裝置,將定向反射紙貼于裝置的測速盤上,由轉速標準裝置通過測速盤輸出標準轉速,進行檢測。b. 采用脈沖光源測速裝置來檢測光電式轉速表。這類檢測設備通常由頻率信號發(fā)生器、頻率計數(shù)計及一個發(fā)光二極管組成。兩種檢測裝置的工作原理有質的差別。脈沖光源測速裝置能否做為標準,在轉速界

13、爭議較大。</p><p>　　(3) 頻閃式轉速表</p><p>　　頻閃式轉速表利用的是頻閃效應原理。檢測此類轉速表時,需先在轉速標準裝置測速盤上做出明顯的標記,當標準裝置轉軸的轉速與被測轉速表閃光頻率相等或成一定倍數(shù)關系時,轉軸上的標記呈現(xiàn)停留不動的狀態(tài),這時,轉速表顯示值與頻閃象停留序數(shù)的乘積即為轉速表的實測值。</p><p>　　(4) 磁電式轉速表&

14、lt;/p><p>　　磁電式轉速表利用的是非電量電測的原理,它包括磁感應式、電脈沖式和電動式轉速表等。這類轉速表有接觸式和非接觸式兩種。根據(jù)被測表工作原理的不同,所選用的檢測方法也不同,但是都可在轉速標準裝置上進行檢測。磁電式轉速表大多由傳感器和顯示器兩部分組成。檢測接觸式轉速表時,將傳感器與轉速標準裝置轉軸連接,轉軸旋轉時使傳感器產生電信號,顯示器顯示的即為轉速表實測值。檢測非接觸式轉速表時,應根據(jù)傳感器的結構原

15、理設法使轉速標準裝置。</p><p>　　3、 國內轉速計量技術存在的問題</p><p>　　目前國內使用的轉速儀表在測試精度 、測量范圍 、實現(xiàn)監(jiān)控性能價格比等方面均存在明顯的缺陷。</p><p>　　就非接觸式轉速表檢測中,脈沖光源式測速裝置能否與轉速標準源裝置共存的問題,多年來在國內轉速計量領域內一直存在著很大的分歧。一些計量科技人員認為,用脈沖光源測速

16、裝置作為非接觸式轉速表檢測的標準裝置,可以提高測量準確度,方法可行。而另一方則認為,如果此方法可以作為轉速標準裝置的另一種形式存在,勢必造成轉速計量領域里的混亂。比較統(tǒng)一的看法是:使用轉速標準裝置(即標準轉速源) 對現(xiàn)有的各類轉速表進行檢測/ 校準,綜合考慮了轉速表實際工況,更具科學性和合理性。</p><p><b>　　三． 選題意義</b></p><p>　　

17、紅外數(shù)字轉速儀是一種非接觸式，光電傳感的轉速計量儀器，是一種代替機械轉速表，用來測量轉動速率的計量儀表。它由光源、光電盤、光敏二極管、檢波放大電路與數(shù)顯裝置等組成。光電盤隨轉軸一同轉動,光敏二極管將光電盤透射來的光信號轉換為電信號,然后通過計數(shù)脈沖的頻率,即可在數(shù)顯裝置上讀出旋轉軸的轉速。目前我國的轉速計量技術與發(fā)達國家想比，在精度上與發(fā)達國家還有一定的差距。國家質量監(jiān)督局的文件顯示，目前在我國工業(yè)領域應用的高精度轉速計量儀器中，90%

18、的轉速測量儀的測量準確度只能達到0.1%左右，而在發(fā)達國家的測量精度能達到0.05%?？上攵瑑烧邷y量精度的不一樣，會在產品的質量上產生什么樣的結果。同樣由于機械式轉速測量儀的精度上和測量方式上遠遠比不上光電式轉速測量儀，所以采用紅外數(shù)字轉速測量儀是轉速測量儀器發(fā)展的一種不可避免的趨勢。</p><p><b>　　四．本設計的工作</b></p><p>　　在設

19、計紅外數(shù)字轉速表的工作中，總共分為以下步驟：</p><p><b>　　一、搜集資料</b></p><p>　　二、設計電路圖，實驗仿真</p><p><b>　　三、購買電路元件</b></p><p>　　四、組裝調試電路（1、實驗儀器有面包板、刨線鉗、電源、示波器、信號發(fā)生器。2、在組裝

20、過程中，按照分塊進行的原則，先焊接好第一部分，然后進行檢測，確定該部分電路正確后，在焊接下一部分電路。例如：先焊接好1HZ的時鐘信號發(fā)生器，然后加電壓，用示波器觀察信號輸出，再調整電位器，達到要求的1HZ的方波信號后。接著再組裝好剩下的電路部分，接上電源及脈沖信號，觀察顯示，這樣可以減少很多焊接錯誤。3、在最后調試過程中，發(fā)現(xiàn)計數(shù)不穩(wěn)定，仔細檢查電路的連接，沒有出錯，那就有可能是電路虛焊。）</p><p>　

21、　五、改進完善電路（例如：整形電路可以用NE555定時器構成的施密特觸發(fā)器整形，可以用OP07構成比較器做整形放大電路，也可以直接用74LS14構成整形電路。）</p><p><b>　　六、寫設計報告 </b></p><p>　　第2章 硬件部分簡介</p><p>　　一、具體方案論證與設計</p><p>　　

22、電機轉動速度的數(shù)字檢測基本方法是利用與電動機同軸連接的光電脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率與轉速成正比的原理,根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列,測量轉速和判別其轉動方向。根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉速測量的方法主要有:M法(測頻法) 、T 法(測周期法) 和MPT 法(頻率P周期法) 。</p><p>　　方案１：M法(測頻法)</p><p>　　在規(guī)定的檢測時間內,檢測光電脈沖發(fā)生器所產生的脈沖信

23、號的個數(shù)來確定轉速。雖然檢測時間一定,但檢測的起止時間具有隨機性,因此M法測量轉速在極端情況下會產生1 個轉速脈沖的誤差。當被測轉速較高或電機轉動一圈發(fā)出的轉速脈沖信號的個數(shù)較大時,才有較高的測量精度,因此M 法適合于高速測量。</p><p>　　方案２：T 法(測周期法)</p><p>　　它是測量光電脈沖發(fā)生器所產生的相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速。相鄰兩個轉速脈沖信號時間的

24、測量是采用對已知高頻脈沖信號進行計數(shù)來實現(xiàn)的。在極端情況下,時間的測量會產生1 個高頻脈沖周期,因此T 法在被測轉速較低(相鄰兩個轉速脈沖信號時間較大) 時,才有較高的測量精度,所以T 法適合于低速測量。</p><p>　　方案3：M/T 法(頻率P周期法)</p><p>　　它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內光電脈沖發(fā)生器所產生的轉速脈沖信號的個數(shù)來確定轉速。由于同時對兩種脈沖信號

25、進行計數(shù),因此只要“同時性”處理得當,M/T 法在高速和低速時都具有較高的測速精度。</p><p>　　本設計要實現(xiàn)在轉速范圍0～999之間測量轉速，所以紅外數(shù)字轉速儀既要測量低速轉速又要測量高速轉速，而M/T法在高速和低速時都有較高的精度。由于M/T 法可在整個速度范圍內獲得高分辨率, 可在不損失精度和分辨率的前提下獲得快速響應。所以本次設計采用M/T法。 </p><p><b

26、>　　二、主控芯片的簡介</b></p><p>　　74LS48 譯碼器</p><p>　　譯碼、顯示電路是組合邏輯電路中重要的邏輯部件，通常譯碼器采用的是七段字型譯碼器，其作用是將輸入的4位BCD碼DCBA譯成與其對應的七段字型輸出，用于驅動數(shù)碼管，顯示從0-9的數(shù)字。在本實驗中用來對紅外脈沖計數(shù)，本實驗采用74LS48譯碼器，用來驅動共陰極的發(fā)光二極管顯示器。下面

27、為74LS48引腳圖及七段數(shù)碼管顯示系統(tǒng)：</p><p>　　74LS160十進制計數(shù)器</p><p>　　74LS160是電路集成的、具有異步清零、同步置數(shù)、可以保持狀態(tài)不變的十進制上升沿計數(shù)器,其優(yōu)點是計數(shù)速度快。一般采用復位和置數(shù)的方法來實現(xiàn)其他計數(shù)器。下面為74LS160的引腳圖：</p><p><b>　　555時鐘發(fā)生器</b>

28、;</p><p>　　555定時器是一種雙極型模擬數(shù)字兼容的集成器件，只需在其外部配上少量的阻容元件，就可以構成單穩(wěn)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等脈沖電路。由于它使用靈活、方便，電源范圍大，因而廣泛地應用在波形產生、變換、測量與控制等方面。以下為NE555管腳圖及內部原理圖：</p><p><b>　　OP07運算放大器</b></p><

29、p>　　OP07通過外接兩個阻值不同的電阻實現(xiàn)分壓，可以構成一個比較器。只要根據(jù)OP07的輸入端電壓的最大值和最小電壓值，來計算出兩個電阻的阻值，獲得一個界于最大和最小電壓的中間值，輸出就可以得到一個一個高電平和一個低電平，實現(xiàn)整形電路的功能。</p><p><b>　　三、器件清單</b></p><p>　　第3章 電路組成及原理</p>

30、<p>　　一、測速表原理框圖 </p><p><b>　　二、獨立設計電路</b></p><p>　　我采用了電子仿真軟件multisim8進行仿真，獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)，為我們進行實際電路的焊接和電路的調試提供了理論依據(jù)?？傇O計電路圖見附件。</p><p>　　三、紅外發(fā)射與接收電路組成及原理</p>

31、;<p>　　紅外發(fā)射電路發(fā)射紅外線，紅外接收管接收紅外線，在發(fā)射級產生正弦電壓輸出，將此產生的正弦電壓經過整形放大電路后形成方波。電路結構如下圖所示：</p><p>　　四、整形電路組成及原理</p><p>　　經過紅外傳感器接收到的信號是正弦信號，不能作為邏輯門的輸入信號。所以必須要有整形轉換電路將正弦信號轉換為方波信號。在本次實驗中，我采用了OP07構成比較器來進行

32、整形，輸入接紅外線的輸出信號，輸出接到三位的計數(shù)器，在通過譯碼顯示。仿真電路圖及輸出波形：</p><p>　　電路圖 輸出波形</p><p>　　五、脈沖計數(shù)電路組成及原理 </p><p>　　將NE555產生的1HZ脈沖信號接入計數(shù)器計數(shù)。計數(shù)器采用2個十進制計數(shù)器74LS160D實現(xiàn)2位計數(shù),當計數(shù)到60

33、，停止計數(shù)，實現(xiàn)一分鐘定時功能。電路圖如下所示：</p><p>　　六、譯碼顯示電路組成及原理 </p><p>　　譯碼顯示電路是其中最關鍵的電路之一。實驗結果能否正確顯示就看譯碼顯示電路接法是否正確。在實驗中我使用的是共陰的七段數(shù)碼顯示管。QA 、QB、 QC、QD的接出線通過74LS48D4-8譯碼器譯碼，按七段數(shù)碼顯示管的引腳對應接線，輸入接整形后的輸出信號。仿真電路圖如下：&l

34、t;/p><p>　　七、時鐘電路組成及原理</p><p>　　時鐘發(fā)生電路在電路中起到計時的作用，用來控制計數(shù)時間，同時也控制顯示間隔。所以時鐘發(fā)生電路在整個電路中起到開關控制電路。</p><p>　　我們在轉盤上有1個標記點，那么每轉一圈就會產生1個脈沖。假設1s轉x圈，那么每秒就是x個脈沖，那么一分鐘就是60x個脈沖60x個圈。時鐘電路采用NE555定時器電路

35、產生1Hz信號，將信號介入由2個74LS160D構成的60進制計數(shù)器，也就是說一秒鐘產生一個脈沖來控制顯示。一秒鐘計數(shù)器總共有60x個脈沖，也就是一分鐘轉的圈數(shù)。這樣就達到了測量轉速的目的。仿真電路圖及輸出波形如下所示:</p><p>　　電路圖 輸出波形</p><p><b>　　第4章 結論</b></p&

36、gt;<p>　　由于該電路為最基本的測速表，其所要求的準確度和精確度都不是很高，而且該電路基本是有數(shù)字電路所構成，結構簡單，能夠進行仿真，電路接線也簡單，因此相比模擬電路還簡單得多。該電路最大的優(yōu)點是運用74LS160，相比74LS90計數(shù)速度快一些，減少延時，提高計數(shù)準確度；紅外管的靈敏度高，從而減少了測試結果的誤差；它是一種非接觸型的測試器，使用安全，方便。整個電路主要以數(shù)字電路為主，因此相對模擬電路來說誤差還是小很

37、多，只要仿真結果是正確的，焊接電路不出錯，實現(xiàn)其電路功能是比較容易的。</p><p>　　本設計中的不足與改進建議：</p><p>　?。?）產生1HZ的時鐘信號，電路不夠穩(wěn)定。該電路是由一個NE555定時器構成的多諧振蕩器直接產生1HZ的時鐘信號，由于電路的頻穩(wěn)度不是很高，所接的電阻和電容參數(shù)的不精確，從而使得所產生的頻率不穩(wěn)定。應考慮用頻穩(wěn)度高的石英晶體振蕩電路會更好些。</

38、p><p>　　（2）整形電路是不夠理想，延長了測量時間，從而增大了電路誤差。</p><p>　?。?）該測速表的測量范圍比較小，只能測出0~999r/min的轉速，超過999r/min就會出現(xiàn)亂碼，降低其電路的實用性?？梢钥紤]擴大其電路的測量范圍，提高電路的實用性。</p><p>　　（4）該電路沒有記憶功能，不能把所測的速度保存下來，必須要人工記錄。清零電路不夠

39、方便，是由一個單刀開關實現(xiàn)，必須需要手動清零，而不能自動清零?？梢钥紤]用鎖存器實現(xiàn)記憶功能，用延時開關或一個延時電路自動清零。</p><p>　　總之，該電路結構簡單，只能用于要求很低的場合，而對于要求比較高的電路是不實用的。因此還有許多細節(jié)的地方需要改進。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 杜坤梅.

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44、g: China Machine Press</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設計到最后能夠調試成功，與我的指導老師xx老師的精心輔導是離不開的，在此感謝xx三位導師對我的細心栽培。另外還要感謝xx老師，因為他們的建議打開了我的思路，讓本設計進一步得到完善。還要感謝xx，以及那些向我提供建議和方法來幫助我的同學們。</p>