電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 （系） 光電工程學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班 級 100106班 姓 名 葉亞鋒 學(xué) 號 100106117 導(dǎo) 師 李黨娟 2014 年 5 月 20 日 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院 葉亞鋒摘要：電機(jī)是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，而電機(jī)轉(zhuǎn)速是衡量動力系統(tǒng)正常工作的重要的性能指標(biāo)，因而需要測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，使它滿足人們的各種需求。在本設(shè)計(jì)中多次采用施密特觸發(fā)器，成為電路的主控芯片，控制著信號的定時(shí)和鎖純。用三片CD40110BE級聯(lián)實(shí)現(xiàn)電路的計(jì)數(shù)、譯碼、數(shù)碼管的驅(qū)動等功能，通過對光電耦合器產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

2、，并把所得到的計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)化為電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，利用施密特觸發(fā)器完成數(shù)器的清零和鎖純，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)譯碼后將信號輸送到數(shù)碼管，動態(tài)的顯示脈沖數(shù)目，最后根據(jù)脈沖數(shù)目計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)采用的電子元器件簡單普遍，線路連接簡單，安裝調(diào)試容易，測量結(jié)果精確，具有較高的實(shí)用價(jià)值。    關(guān)鍵詞：光電耦合器；施密特觸發(fā)器；計(jì)數(shù)器；數(shù)碼顯示。Design of motor speed measurement systemAbstract: The motor is the main equipment of power system, and the motor speed

3、is an important performance index to measure the power system normal operation, therefore need to speed measuring motor, make it meet the needs of people. The Schmidt trigger multiple times in the design of main circuit, a control signal timing and lock the key part of pure. Circuit realization of c

4、ounting, decoding, digital tube driver functions with three slice CD40110BE cascade, statistics through the pulse number on the photoelectric coupler, and count the pulses to the motor speed value, complete number is clear and pure use lock Schmidt flip-flop, counter after decoding the signal transm

5、itted to the the digital tube dynamic display, pulse number, pulse number according to the calculated motor speed. Electronic components used in this design simple and common, simple circuit, easy installation, accurate measurement result, and has higher practical value.Keywords: photoelectric coupl

6、er；Schmidt trigger；timer；counter； digital display.目錄第一章 緒論51.1課題研究的目的和意義51.2 轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究 51.3電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量方法61.3.1測頻法“M法”61.3.2測周期法“T法”71.3.3 測頻測周法“M/T法”8第二章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案102.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 102.2設(shè)計(jì)思路102.3原理框圖102.4設(shè)計(jì)的意義 10第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)113.1 主控芯片的選擇 113.2 硬件電路的實(shí)現(xiàn) 

7、;113.2.1電源電路113.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路 123.2.3計(jì)數(shù)電路153.2.4控制電路173.2.5顯示電路設(shè)計(jì)20第四章 電路的焊接與調(diào)試224.1電路連接過程的注意事項(xiàng)224.2電路的調(diào)試234.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的誤差分析25第五章 總結(jié)與展望265.1 總結(jié)265.2 展望26致謝27參考文獻(xiàn)28附錄：電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理圖29第一章 緒論1.1課題研究的目的和意義 電機(jī)是將電能從最初的能源形式轉(zhuǎn)換過來的重要橋梁，又是再將大部分電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，電機(jī)在電力工業(yè)、工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國防、科學(xué)文化及日常生活等方面都是十分重要的設(shè)備，在電力工業(yè)中，將機(jī)

8、械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)以及將電網(wǎng)電壓升高或降低的變壓器，都是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。在工礦企業(yè)中，各種機(jī)床電機(jī)、軋鋼機(jī)、壓縮機(jī)、起重機(jī)、風(fēng)機(jī)，交通運(yùn)輸中的汽車電器、電力機(jī)車、磁懸浮列車、城市軌道列車，農(nóng)業(yè)中的電力排蘸、農(nóng)產(chǎn)品加工，日常生活中汽車、辦公設(shè)備、電冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)，航海和航空領(lǐng)域中的航船推進(jìn)電源、航空電機(jī)，還有國防、文教、醫(yī)療等領(lǐng)域都需要不同特性的電機(jī)來驅(qū)動和控制。隨著工業(yè)企業(yè)電氣化、自動化、電腦化的發(fā)展，還需要眾多的精密控制電機(jī)，作為整個(gè)自動控制系統(tǒng)中的重要元件。轉(zhuǎn)速是衡量能源設(shè)備與動力機(jī)械性能測試中的一個(gè)重要的特性參量,對于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要及時(shí)的監(jiān)測其主軸的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速

9、測量儀能準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的工作狀況，直觀的顯示動力系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)下的工作情況，讓工作人員能隨時(shí)了解機(jī)器的工作情況，使之保持最佳狀態(tài)。1.2 轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究  電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)的直接動力，電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理工作的機(jī)械，隨著生產(chǎn)的發(fā)展而不斷發(fā)展，電機(jī)測速儀作為生產(chǎn)設(shè)備的一部分，也隨電機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷改進(jìn)。轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機(jī)械性能測試中的一個(gè)重要的特性參量，許多動力機(jī)械的特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，如壓縮機(jī)的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機(jī)的輸出功率等等，而且動力機(jī)械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。  轉(zhuǎn)速測量的方法很多

10、，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時(shí)必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機(jī)等；后者在使用時(shí)不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測量儀表,如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速表及鐘表式定時(shí)轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落.而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用,但也退居次要地位。代之而起的是

11、非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測定發(fā)動機(jī)穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來在足夠小的時(shí)間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。  轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往可能成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中。1.3電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量方法 電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度稱為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通常用單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速表示，單位常為轉(zhuǎn)/分或 r/min。每秒鐘的轉(zhuǎn)速也稱為轉(zhuǎn)

12、動頻率，它是轉(zhuǎn)動周期的倒數(shù)。轉(zhuǎn)速的電測法很多，下面就簡單的介紹幾種：1.3.1測頻法“M法”在一定測量時(shí)間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖1-1“M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為X，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示： (1-1)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)X如下式所示： (1-2) 圖 1-1 “M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將（1-2）式代入（1-1中）可得轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： （1-3） P-為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；   n-轉(zhuǎn)速：單位（轉(zhuǎn)/分）； T-定時(shí)時(shí)間：單位（秒）。在該方法中，由于定時(shí)時(shí)間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測

13、量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個(gè)脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度，T要有足夠長的時(shí)間。定時(shí)時(shí)間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時(shí)間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定的情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時(shí)間過短，測量精度會受到一定的影響。1.3.2測周期法“T法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時(shí)間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，也可以用時(shí)鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的1/N，N為碼盤孔數(shù)。如圖1-2“T”法脈寬測量所示。由定時(shí)器測得,在內(nèi)計(jì)數(shù)值若為，則計(jì)

14、算公式為： (1-4)即： (1-5) -基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率 ：單位（Hz）；  -轉(zhuǎn)速 :單位（轉(zhuǎn)/分）；  -時(shí)基脈沖。 圖 1-2 “T”法脈寬測量 由 “T”法脈寬測量可知“T”法測量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時(shí)起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計(jì)數(shù)和定時(shí)嚴(yán)格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個(gè)脈沖的誤差存在。1.3.3 測頻測周法“M/T法”所謂測頻測周法，即是綜合了“T”法和“M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)

15、而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖3“M/T”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測量所示。 “M/T”法采用三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，同時(shí)對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)，反映轉(zhuǎn)角，反映測速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時(shí)都具有相對較高的精度。測速時(shí)間由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即等于個(gè)脈沖周期。由圖1-3可見，從a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器對和計(jì)數(shù)，到達(dá)預(yù)定的測速時(shí)間b點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)椴灰欢ㄕ玫扔谡麛?shù)個(gè)脈沖的周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止，這樣，就代表了個(gè)脈沖周期的時(shí)間。 “M/T”法綜合了“T”和“M

16、”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為，每轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器發(fā)出P個(gè)脈沖，由式（1-2）和（1-5）可得M/T法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： （1-6） n-轉(zhuǎn)速值：單位（轉(zhuǎn)/分）；  -晶體震蕩頻率：單位（Hz）；  -輸入脈沖數(shù)；  -時(shí)基脈沖數(shù)。 圖1-3 “M/T”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測量 通過上面的分析可知，M法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。M/T這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時(shí)時(shí)間T，或提高時(shí)基脈沖頻率。

17、因此，在實(shí)際操作時(shí)往往采用一種稱變M/T的測量方法，所謂變M/T法，是在M/T法的基礎(chǔ)上，讓測量時(shí)間始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時(shí)調(diào)整預(yù)測時(shí)間,兼顧高低轉(zhuǎn)速時(shí)的測量精度?；贛法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用M法進(jìn)行測量。第二章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)  根據(jù)已學(xué)過的知識，設(shè)計(jì)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的電路，繪制電路原理圖，要求設(shè)計(jì)電路能夠可靠的工作且滿足要求，選取合適的集成芯片，盡量簡化電路，做到電路板的經(jīng)濟(jì)最小化 ，焊接元器件并完成電路的調(diào)試。2.2設(shè)計(jì)思路本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

18、主要由電機(jī)、光電傳感器、定時(shí)電路、計(jì)數(shù)電路、顯示部分組成。電機(jī)測速原理是將信號采集與被測物體的轉(zhuǎn)動相關(guān)聯(lián)，由原理圖可知，信號采集部分是由電動機(jī)、遮光板、和光電耦合器組成。光電耦合器直接輸出高低電平，隨著轉(zhuǎn)盤的不斷轉(zhuǎn)動，就不斷產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)脈沖整形后送入計(jì)數(shù)器，轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)動速度成正比，根據(jù)單位時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，就可獲得被測電機(jī)轉(zhuǎn)速。2.3原理框圖 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖2-1所示： 電動機(jī)光電耦合器計(jì)數(shù)器數(shù)碼顯示器延時(shí)復(fù)位多諧振蕩器 圖2-1 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖2.4設(shè)計(jì)的意義  畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)是學(xué)生畢業(yè)前最后一個(gè)重要

19、的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，是學(xué)習(xí)深化與升華的重要過程。它既是學(xué)生學(xué)習(xí)、研究與實(shí)踐成果的全面總結(jié)，又是對學(xué)生素質(zhì)與能力的一次全面檢驗(yàn)。同時(shí)又能了解電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，學(xué)會對一個(gè)項(xiàng)目獨(dú)立的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高同學(xué)綜合運(yùn)用知識的能力。為今后從事生產(chǎn)和科研打下良好的基礎(chǔ)，更好地適應(yīng)社會，是非常重要的一個(gè)階段。第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 主控芯片的選擇 高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以主控芯片元件為核心，擴(kuò)展一些外部電路和外圍設(shè)備，組成電機(jī)測速系統(tǒng)，主要用于電機(jī)測速等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的確定中，首先是確定所選擇的主控芯片，因?yàn)?/p>

20、主控芯片是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，所有的外圍電路設(shè)備都是以主控芯片為中心，是選擇其他硬件電路的基礎(chǔ)，按照本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，不采用單片機(jī)系統(tǒng)，由于在模數(shù)邏輯電路的設(shè)計(jì)中，首先是采集信號，再加上專門的計(jì)數(shù)、譯碼和鎖存電路。這樣設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。本次設(shè)計(jì)采用了高集成度芯片CD40110和CD40106做為主控芯片，使電路設(shè)計(jì)簡單，并且能夠大大提高可靠性。3.2 硬件電路的實(shí)現(xiàn) 本測速系統(tǒng)主要由電源電路、脈沖產(chǎn)生及整形電路、脈沖計(jì)數(shù)電路、控制電路及顯示部分組成。3.2.1電源電路 在電子電路中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，根據(jù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)的要求，本次設(shè)計(jì)需要正負(fù)5V直流電源供

21、電，但考慮到在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中用直流干電池比較方便，所以選用3節(jié)5號干電池代替5v電壓源。雖然3節(jié)5號干電池的電壓只有4.5v，但是電路各部分仍能正常工作過，這給電路的調(diào)試帶來了很大的方便。如下所示，圖3-1是電機(jī)調(diào)速部分電源電路。 圖3-1 電機(jī)調(diào)速部分電路在電源正負(fù)極之間加一濾波電容，可以將輸入電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。給直流電機(jī)串聯(lián)一三極管，并和可變電阻W10K、固定電阻R24并聯(lián)就可以對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)?？勺冸娮柚饕歉淖冸姍C(jī)兩端的電壓，三極管主要是對電流進(jìn)行放大，驅(qū)動直流電動機(jī)。本設(shè)計(jì)采用S8050PNP小功率三極管，其引腳圖見圖3-2。 圖 3-2

22、 S8050引腳圖 3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路  電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路包括傳感器脈沖采集電路和脈沖整形放大電路。（1）光電傳感器的脈沖采集電路 在電動機(jī)的測速系統(tǒng)中，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝測光電傳感器或光電編碼盤等測速裝置，利用電機(jī)中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的脈沖來反映它的轉(zhuǎn)速。通常所用的傳感器有霍爾傳感器和光電式傳感器。霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈敏度高以及傳送過程無抖動現(xiàn)象，頻率響應(yīng)寬、壽命長等特性。但霍爾傳感器存在一定程度的磁不敏感區(qū)，會降低電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的可靠性，增大測量誤差，且對安裝位置要求精確，因此安裝調(diào)試比較復(fù)雜，并且用于產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，會間接增加開發(fā)成本。而光電式傳感器是利用光電

23、元件，使用遮光板對信號進(jìn)行阻斷，產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速位置的脈沖信號。其檢測分辨率高、性能穩(wěn)定，適用于檢測各種設(shè)備轉(zhuǎn)速，因此本設(shè)計(jì)采用光電式傳感器。 本設(shè)計(jì)采用透射式光電傳感器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號。相對于傳統(tǒng)的方法而言，該方法將成本低，其性能穩(wěn)定，器件體積小，適用于進(jìn)行各種電機(jī)測速。如圖3-3所示，分別為ITR-9608紅外光電傳感器和遮光板。 圖3-3 ITR-9608光電傳感器和遮光板如圖3-3所示，遮光板的中心點(diǎn)位置用來固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。傳感器固定在支架上，使遮光板放置在槽式傳感器的槽中間（發(fā)光二極管與光敏電阻之間）。如下圖所示電路是光電傳感電路及脈沖產(chǎn)生電路轉(zhuǎn)換電路。槽式電傳

24、感器由+5V電源供電使光電二極管持續(xù)發(fā)光，當(dāng)槽中無遮蔽擋物時(shí)，光敏三極管感光導(dǎo)通，輸入到運(yùn)放為0V，有遮擋物時(shí)光敏三極管斷截止，輸出端out為+5V。信號盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號盤的缺齒經(jīng)過探頭時(shí)，光透過缺口產(chǎn)生感應(yīng)。傳感器就輸出1個(gè)脈沖信號，但是由于光電晶體管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)，有相應(yīng)的時(shí)間延遲，致使傳感器直接產(chǎn)生的脈沖信號，并沒有嚴(yán)格的上升沿與下降沿，這對脈沖信號的采集極為不便，因此由傳感器產(chǎn)生的脈沖信號還需要一定的整形與放大，這樣才能有嚴(yán)格的上升沿與下降沿，便于電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號的采集，電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號輸出如圖3-4所示。 圖 3-4 信號采集及脈沖整形在實(shí)際電機(jī)工作狀態(tài)中，會受到各方面的干擾，

25、波形會存在許多雜波成分，需要對波形進(jìn)行處理，處理成方便計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的矩型波。 波形處理電路由一個(gè)施密特觸發(fā)器組成。如上圖，當(dāng)輸入電壓逐步升高時(shí)，致使VI>施密特上限閥值電壓VT+，內(nèi)部觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)VI逐步下降時(shí)，致使VI<下限閥值電壓VT-，電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，通常VT+>VT-。所以只要VI<VT-電路就能穩(wěn)定在低電平，VI>VT+電路就穩(wěn)定在高電平，這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的需求。典型的施密特其工作波形如圖3-5： 圖 3-5 用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖整形本設(shè)計(jì)選用集成施密特觸發(fā)器CD40106，引腳圖如下所

26、示，可以看出內(nèi)部含有六路同樣的施密特觸發(fā)器， 每個(gè)電路均為在兩輸入端具有施密特觸發(fā)器功能的反相器，我們先使用其中一組。 圖3-6 CD40106引腳圖3.2.3計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)部分選用CMOS4000系列芯片CD40110，下面對該芯片做簡要說明：  CD40110為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。 圖3-7 為CD40110引腳圖。 圖3-7 CD40110引腳圖 表3-1  CD4O110邏輯功能表 根據(jù)CD40110的引腳說明和邏輯功能表，我們對計(jì)數(shù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，脈沖計(jì)數(shù)模塊由

27、3個(gè)CMOS器件CD40110級聯(lián)而成，CD40110 為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器、狀態(tài)鎖存、七段顯示、譯碼輸出等功能。CD40110的2個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端CPU（9腳）和CPD（7腳），分別用作加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入和減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘信號預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘輸入端計(jì)數(shù)工作時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。在電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的過程中，所以我們選擇使用加法計(jì)數(shù)時(shí)鐘端CPU。 CD40110的QCO（10腳）和QBO（11腳）為加進(jìn)位輸出和減借位輸出，一般為高電平有效，當(dāng)計(jì)數(shù)器從09時(shí)，QBO輸出負(fù)脈沖；從90時(shí)QCO輸出負(fù)脈沖。在多片級聯(lián)時(shí)，

28、只需要將QCO接至下級CD40110的CPU端，就可組成加法計(jì)數(shù)器。TE（4腳）為觸發(fā)器使能端，TE=0時(shí)計(jì)數(shù)器工作，TE=1時(shí)計(jì)數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)，設(shè)計(jì)中將其接低電平。LE（6腳）為鎖存控制端，LE=1時(shí)顯示數(shù)據(jù)保持不變，但它內(nèi)部的計(jì)數(shù)器仍正常工作，將其與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出相接，對數(shù)碼管顯示的脈沖數(shù)進(jìn)行鎖純。CR(5腳)為計(jì)數(shù)器清零段，將它和多諧振蕩器的輸出相連，就會對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。a,b,c,d,e,f,g(1,15,14,13,12,3,2腳) 為信號輸出端，與七段數(shù)碼管鏈接。3.2.4控制電路在數(shù)字技術(shù)的各種應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到矩形波、方波、尖頂波和鋸齒波等脈沖形波，它們經(jīng)常用來作為電

29、路的開關(guān)和控制信號。下面將介紹多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，多諧振蕩器能直接產(chǎn)生脈沖信號，施密特觸發(fā)器能對已有的信號進(jìn)行變換、整形，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于脈沖信號的定時(shí)、延時(shí)等。3.2.4.1施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器又稱為電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其邏輯符號及電壓傳輸特性如圖3-8 。所示。其中圖3-8（）為不帶反相器的施密特觸發(fā)器，而圖3-8（）是帶反相器的施密特觸發(fā)器。 圖 3-8 施密特觸發(fā)器邏輯符號及電壓傳輸特性由施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性可以看出，它具有如下特點(diǎn)：（） 有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。一個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出為高電平，另一個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出為低電平。這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)要靠輸入信號電平來維持。

30、 （） 具有滯回電壓傳輸特性。當(dāng)輸入信號高于時(shí)，電路處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，稱作上觸發(fā)電平或正向閾值電壓；當(dāng)輸入信號低于時(shí)，電路處于另一穩(wěn)定狀態(tài)，稱作下觸發(fā)電平或負(fù)向閾值電壓；而當(dāng)輸入信號處于兩觸發(fā)電平之間時(shí)，其輸出保持原狀態(tài)不變。集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器產(chǎn)品的種類較多，屬TTL電路的有7413、7414、74132等，屬CMOS電路的有CD40106、CC4583等。TTL集成施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平大約在1.7V左右，下觸發(fā)電平大約在0.8V左右，其回差電壓大約在0.9 V左右。 CMOS集成施密特觸發(fā)器具有電壓范圍寬的特點(diǎn)，所以工作在不同的電源電

31、壓情況下，所得、和皆有一定的分散性。比如CD40106，電源電壓15V時(shí)，6.8V10.8V， 47.4V，1.65V。當(dāng)5V時(shí)，2.23.6V，0.92.8V, 0.31.6V。3.2.4.2定時(shí)電路設(shè)計(jì)定時(shí)電路由施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器，在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常用到矩形脈沖作為時(shí)鐘信號來控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，能自行產(chǎn)生具有一定頻率和一定脈寬的矩形波發(fā)生器。由于矩形波中包含有豐富的高級諧波，所以又稱為多諧振蕩器，和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或施密特觸發(fā)器不同，多諧振振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，兩暫穩(wěn)態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換不需要外加觸發(fā)信號，而是靠電路本身來完成的。1.電路組成和工作

32、原理 圖3-9 (a)所示電路是用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器 .它是將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路回到輸入端構(gòu)成。接通電源的瞬間,由于電容C的初始電壓為零,即施密特觸發(fā)器的輸入電壓為低電平,故電路 輸出為高電平，電路進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在此期間，輸出高電平經(jīng)電阻R向電容C充電，使以指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)電容C上的電壓增加到略大于施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出從高電平跳變到高電平，電路從第二暫穩(wěn)態(tài)又返回到第一暫穩(wěn)態(tài)。電路如此周而復(fù)始地改變狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩。電路的工作波形如圖3-9（b）所示。 圖3-9 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器采用施密特觸發(fā)

33、器構(gòu)成的多諧振蕩器電路結(jié)構(gòu)簡單，這種振蕩電路可以代替晶體振蕩電路，它適用于低頻振蕩電路，一般用于產(chǎn)生1HZ1MHZ的低頻信號，僅需外接一個(gè)電容和電阻，這種振蕩電路，只需增大電阻R即可降低頻率。2.振蕩周期估算 使用CMOS施密特觸發(fā)器，而且，則由圖3- （b）所示波形可得電路的振蕩周期為： 圖 3-10 多諧振蕩器周期 3.2.4.3鎖純電路設(shè)計(jì)鎖存電路是用CMOS集成施密特觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖3-10所示，觸發(fā)脈沖經(jīng)RC微分電路加到施密特觸發(fā)器的輸入端，在輸入脈沖作用下，使得施密特觸發(fā)器的輸入電壓依次經(jīng)過和兩個(gè)轉(zhuǎn)換電平，從而在輸出端得到一定寬度的矩形脈沖。具體工作過程如下

34、： 圖3-10 施密特觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入=0，=0，輸出。當(dāng)幅度為的正觸發(fā)脈沖加到電路輸入端時(shí)，跳變到。由于，所以電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C的充電，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到略低于時(shí)，電路狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，返回到原來的穩(wěn)態(tài)，輸出。 電路各點(diǎn)的波形如圖3-10（b）所示。輸出脈沖的寬度取決于RC微分電路中電阻R上的電壓從初始值下降到所需的時(shí)間。根據(jù)簡單RC電路過渡過程分析的三要素法，可得：3.2.5顯示電路設(shè)計(jì)LED數(shù)碼管顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，LED（Light-Emitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器

35、件。LED是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。LED數(shù)碼管里面有八個(gè)發(fā)光二極管。引腳分別記作a、b、c、d、e、f、g、bd，其中bd是小數(shù)點(diǎn)，a b c d e f g h 分別控制8個(gè)段，稱為段碼。3、8腳是數(shù)碼管的公共端，公共端可以用三極管控制連接電源，由此可以控制整個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮或熄滅。常用的LED數(shù)碼管有兩種，一種是共陽極一種是共陰極的。共陰極數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管電流大小只有12 m A，最大極限電流也只有1030 m A，所以它

36、的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時(shí)，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。LED數(shù)碼管實(shí)物圖如圖3-11所示， 圖3-11 七段共陰極數(shù)碼管LED數(shù)碼管通過點(diǎn)亮特定的字段來顯示數(shù)字或符號。共陰與共陽七段LED數(shù)碼管的顯示字符與對應(yīng)的顯示段碼如下表所示，共陽七段數(shù)碼管的段碼和共陰七段數(shù)碼管段碼互為反碼。表3-2 共陰極七段數(shù)碼管和共陽極七段數(shù)碼管的顯示段碼表CD40110BE做數(shù)碼管的驅(qū)動 LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個(gè)段碼，CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的芯片，

37、具有BCD轉(zhuǎn)換、鎖存控制、譯碼及驅(qū)動等功能。CMOS電路能提供較大的電流，可直接驅(qū)動LED。TB為觸發(fā)器使能端，加低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器正常工作，加高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，但內(nèi)部計(jì)數(shù)器仍正常剛工作。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。若要顯示多位，只需將其級聯(lián)，每級輸出接一只 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在實(shí)際應(yīng)用中，限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時(shí)，我們選擇大小為1K的限流電阻。計(jì)數(shù)與

38、顯示的電路如圖3-12，在電路的工作過程中，計(jì)數(shù)脈沖由測速脈沖和控制電路同時(shí)控制輸入，將所計(jì)脈沖數(shù)通過數(shù)碼管顯示。 圖3- 12 顯示電路 第四章 電路的焊接與調(diào)試4.1電路連接過程的注意事項(xiàng)（1） 芯片的焊接：要認(rèn)清方向，找準(zhǔn)第一腳，不要倒插，所有IC的插入方向一般應(yīng)保持一致，管腳不能彎曲折斷；（2） 元器件的裝插：去除元件管腳上的氧化層，根據(jù)電路圖確定器件的位置，并按信號的流向依次按順序連接元器件；（3） 導(dǎo)線的選用：連接導(dǎo)線的直徑應(yīng)與過孔（或插孔）相適應(yīng)，過粗過細(xì)均不好，為檢查電路方便，要根據(jù)不同用途，選擇不同顏色的導(dǎo)線，一般習(xí)慣是正電源用紅線，負(fù)電源用黑線，信號線用其它顏色的線；連接用

39、的導(dǎo)線要求緊貼板上，焊接或接觸良好，連接線不允許跨越IC或其他器件，盡量做到橫平豎直，便于查線和更換器件。（4） 在電路的輸入、輸出端和其測試端應(yīng)預(yù)留測試空間和接線柱，以方便測量調(diào)試；（5） 布局合理和組裝正確的電路，不僅電路整齊美觀，而且能提高電路工作的可靠性，便于檢查和排除故障。4.2電路的調(diào)試調(diào)試過程中的注意事項(xiàng) 一、調(diào)試之前要熟悉各種儀器的使用方法,并仔細(xì)加以檢查，避免由于儀器使用不當(dāng)或出現(xiàn)故障而作出錯(cuò)誤判斷。  二、測試儀器和被測電路應(yīng)用有良好的共地，只有使儀器和電路之間建立一個(gè)公共的參考點(diǎn)，測試的結(jié)果才是準(zhǔn)確的。  三、調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)器件或接線有問題需要更換或

40、修改時(shí)，應(yīng)關(guān)斷電源，持更換完畢認(rèn)真檢查后方可重新通電。  四、調(diào)試過程中，不但要認(rèn)真觀察和檢測，還要認(rèn)真記錄。包括記錄觀察的現(xiàn)象、測量的數(shù)據(jù)、波形及相位關(guān)系，必要時(shí)在記錄中應(yīng)附加說明，尤其是那些和設(shè)計(jì)部符號的現(xiàn)象更是記錄的重點(diǎn)。依據(jù)記錄的數(shù)據(jù)才能把實(shí)際觀察的現(xiàn)象和理論預(yù)計(jì)的結(jié)果加以定量比較，從中發(fā)展問題，加以改進(jìn)，最終完善設(shè)計(jì)方案。通過過收集第一手資料可以幫助自己積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，切不可低估記錄的重要作用。   整個(gè)電路的成功與否，就在最后的調(diào)試了。在這次電路的調(diào)試過程中，遇到下面幾個(gè)問題： 1、由于電路的連接錯(cuò)誤，導(dǎo)致在計(jì)數(shù)時(shí)數(shù)碼管上顯示的數(shù)并不如預(yù)期的變

41、化，首先遇到的問題就是數(shù)碼管全部顯示為000，經(jīng)過一步一步的分析，是由于信號采集部分故障，查閱大量光電耦合器的資料后，發(fā)現(xiàn)光電開關(guān)接線錯(cuò)誤，在更改小部分接線之后，問題得到解決，光電耦合器能正常采集信號，計(jì)數(shù)器正常工作。 2、第二個(gè)問題也是最關(guān)鍵的問題，關(guān)系到整個(gè)電路能否做出來的問題，在焊接的過程中由于對電路板的結(jié)構(gòu)不太熟悉，導(dǎo)致把數(shù)碼管焊在了電路板的最上面一排，導(dǎo)致整個(gè)電路短路，最后又重新焊接。在實(shí)際操作的過程中，我深深地意識到自身的不足，最后經(jīng)過自己的努力終于完成了電路的調(diào)試。 圖4-1 多諧振蕩器的調(diào)試 圖4-2 整個(gè)電路的調(diào)試通過調(diào)試，電路能夠進(jìn)行計(jì)數(shù)，顯示脈沖的數(shù)目，并且能夠

42、按要求自動完成計(jì)數(shù)、鎖存、保持、清零的工作。電路在工作的過程中，先接通電源，給各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的工作電壓，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量。并且能夠調(diào)節(jié)可調(diào)電阻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。我們可以通過脈沖數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系來得到最終的結(jié)果。4.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的誤差分析 本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用M法進(jìn)行測速，硬件電路較簡單，設(shè)計(jì)已基本完成題目中的各項(xiàng)要求，但是還是有一定的誤差，經(jīng)分析主要是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差造成的：由于定時(shí)時(shí)間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個(gè)脈沖的量化誤差，從而造成時(shí)間閘門的誤差，這是造成測量誤差的一個(gè)主要因素。另外，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)盤是采用塑料盤片磨制而成，

43、高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。誤差測量由公式：可知，的量化誤差是一個(gè)脈沖，故轉(zhuǎn)速變化： （4-1） （4-2） 其相對誤差為： （4-3） （4-4） （4-5） e -相對誤差  -加入一個(gè)脈沖后的轉(zhuǎn)速值 D -轉(zhuǎn)速誤差  由式（4-5）可知： 這里=4s，=100， =0.1。那么可以計(jì)算出， n=60/0.5=150時(shí)，可以滿足此要求，當(dāng)n小于150時(shí)，誤差將超出允許范圍之外。實(shí)際測量工作中，閘門時(shí)間也是一個(gè)重要的因素，本程序中僅提供了一個(gè)4s固定的閘門時(shí)間，實(shí)際工程中，可根據(jù)需要，靈活地

44、選擇閘門時(shí)間，兼顧各方面的要求，以取得更好的效果。第五章 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)從總體上來看，電路設(shè)計(jì)制作還是比較成功的，跟以往的制作相比，本次電路完全是在個(gè)人的努力下作出來的，因此獲得了很多的經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)良好的設(shè)計(jì)思路，是電路的生命。我們要在在思路設(shè)計(jì)上多花時(shí)間，因?yàn)榍捌诳此坡?，?shí)際上恰恰給后期的制作帶來很大的方便，效果往往是更節(jié)省了許多時(shí)間。電子制作慢工出細(xì)活，在制作過程中，不能馬虎、粗心。心急吃不了熱豆腐，不要急于求成。特別是電子類的設(shè)計(jì)制作更應(yīng)該如此，必須一步一步來，逐個(gè)逐個(gè)調(diào)試，不可囫圇吞棗，貪圖方便。通過這次課程設(shè)計(jì)使我鞏固了我的專業(yè)課。在本次設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了模擬電子技術(shù)與數(shù)字技術(shù)，對電子技術(shù)有了更高更全面的掌握，同時(shí)也學(xué)會了運(yùn)用Proteus繪制電路原理圖，以及基本電路元器件的封裝等。而且開拓了視野，認(rèn)識了將來電子的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了很大的進(jìn)步。在這次畢設(shè)中，我真的做到了