摘? 要

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測(cè)量;計(jì)數(shù)器；紅外發(fā)射接收

英文關(guān)鍵詞：the measurement of rotary speed;counter; infrared ray send and incept

摘要：本文介紹了一種以集成電路為基礎(chǔ)的測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的儀器。根據(jù)電路原理設(shè)計(jì)了硬件電路，這種測(cè)量裝置能夠測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍較大的轉(zhuǎn)速，是一種很有應(yīng)用和發(fā)展前景的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。

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 out. This scheme of design, which obtains wide application in measuring engine speed, also has a value of application and promotion.

第1章????????? 緒? 論

1.1數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電子技術(shù)可分為數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù),數(shù)字電子技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的學(xué)科之一,就邏輯器件而言,已經(jīng)從20世紀(jì)40年代的電子管,20世紀(jì)50年代的晶體管,20世紀(jì)60年代的小規(guī)模集成電路,發(fā)展到現(xiàn)在的中規(guī)模集成電路,大規(guī)模集成電路,超大規(guī)模集成電路.近幾年又出現(xiàn)了可編程邏輯器件,為數(shù)字電路設(shè)計(jì)提供了更加完善方便的器件設(shè)計(jì)過(guò)程和方法也再不斷的演變和發(fā)展.由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展,微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字電路技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中占有很重要的地位,在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 .

1.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

1.2.1轉(zhuǎn)速概述

轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)數(shù)與時(shí)間之比的物理量,是描述各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)性能的一個(gè)重要參量。在計(jì)量學(xué)里,轉(zhuǎn)速屬于導(dǎo)出單位,其物理含義為旋轉(zhuǎn)物體在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)。工程中用它來(lái)描述動(dòng)力機(jī)械的運(yùn)動(dòng)特性。轉(zhuǎn)速和頻率有共同的量綱,都是單位時(shí)間內(nèi)某一量值(脈沖個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)) 出現(xiàn)的次數(shù),從理論上講,轉(zhuǎn)速值可以直接和頻率值進(jìn)行比對(duì)。測(cè)時(shí)計(jì)數(shù)是轉(zhuǎn)速計(jì)量的基本方法。在我國(guó),轉(zhuǎn)速表(含轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x等) 屬依法管理的計(jì)量器具。通常用轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置(本文特指轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)源) 可以完成對(duì)各類轉(zhuǎn)速表的檢測(cè)/ 校準(zhǔn)工作。

1.2.2轉(zhuǎn)速表的類型和檢測(cè)技術(shù)

轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,在旋轉(zhuǎn)物體速率測(cè)量方式上應(yīng)用了各種新的技術(shù),實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的準(zhǔn)確高效、安全便捷。轉(zhuǎn)速表依據(jù)測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,轉(zhuǎn)速表依據(jù)工作原理和采樣方式可分為機(jī)械式、光電式、激光式、頻閃式、磁電式等。目前使用純機(jī)械式轉(zhuǎn)速表的用戶已經(jīng)越來(lái)越少,并呈現(xiàn)將被電子計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速表逐漸取代的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍一般為幾十轉(zhuǎn)至幾萬(wàn)轉(zhuǎn),測(cè)量準(zhǔn)確度大多為0. 1 %以下,極少數(shù)產(chǎn)品能達(dá)到0. 05 %。

1.2.2.1 機(jī)械式轉(zhuǎn)速表

檢測(cè)中,被測(cè)轉(zhuǎn)速表通過(guò)機(jī)械聯(lián)接或摩擦接觸的方式,從轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出軸獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的輸入。檢測(cè)時(shí)應(yīng)該采取何種聯(lián)接方式取決于被檢表實(shí)際使用時(shí)的聯(lián)接狀態(tài)。

1.2.2.2 光電式轉(zhuǎn)速表

對(duì)光電式轉(zhuǎn)速表,目前使用的檢測(cè)裝置有兩種:

(1) 采用轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置,將定向反射紙貼于裝置的測(cè)速盤(pán)上,由轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置通過(guò)測(cè)速盤(pán)輸出標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速,進(jìn)行檢測(cè)。(2) 采用脈沖光源測(cè)速裝置來(lái)檢測(cè)光電式轉(zhuǎn)速表。這類檢測(cè)設(shè)備通常由頻率信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)數(shù)計(jì)及一個(gè)發(fā)光二極管組成。兩種檢測(cè)裝置的工作原理有質(zhì)的差別。脈沖光源測(cè)速裝置能否做為標(biāo)準(zhǔn),在轉(zhuǎn)速界爭(zhēng)議較大,下面給出較為詳細(xì)地討

論。

1.2.2.3 頻閃式轉(zhuǎn)速表

頻閃式轉(zhuǎn)速表利用的是頻閃效應(yīng)原理。檢測(cè)此類轉(zhuǎn)速表時(shí),需先在轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)速盤(pán)上做出明顯的標(biāo)記,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與被測(cè)轉(zhuǎn)速表閃光頻率相等或成一定倍數(shù)關(guān)系時(shí),轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)記呈現(xiàn)停留不動(dòng)的狀態(tài),這時(shí),轉(zhuǎn)速表顯示值與頻閃象停留序數(shù)的乘積即為轉(zhuǎn)速表的實(shí)測(cè)值。

1.2.2.4 磁電式轉(zhuǎn)速表

磁電式轉(zhuǎn)速表利用的是非電量電測(cè)的原理,它包括磁感應(yīng)式、電脈沖式和電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表等。這類轉(zhuǎn)速表有接觸式和非接觸式兩種。根據(jù)被測(cè)表工作原理的不同,所選用的檢測(cè)方法也不同,但是都可在轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行檢測(cè)。磁電式轉(zhuǎn)速表大多由傳感器和顯示器兩部分組成。檢測(cè)接觸式轉(zhuǎn)速表時(shí),將傳感器與轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)軸連接,轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)使傳感器產(chǎn)生電信號(hào),顯示器顯示的即為轉(zhuǎn)速表實(shí)測(cè)值。檢測(cè)非接觸式轉(zhuǎn)速表時(shí),應(yīng)根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)原理設(shè)法使轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。

1.2.3國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)使用的轉(zhuǎn)速儀表在測(cè)試精度 、測(cè)量范圍 、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控 、性能價(jià) 格比等方面均存在明顯的缺陷

就非接觸式轉(zhuǎn)速表檢測(cè)中,脈沖光源式測(cè)速裝置能否與轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)源裝置共存的問(wèn)題,多年來(lái)在國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)速計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)一直存在著很大的分歧。一些計(jì)量科技人員認(rèn)為,用脈沖光源測(cè)速裝置作為非接觸式轉(zhuǎn)速表檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)裝置,可以提高測(cè)量準(zhǔn)確度,方法可行。而另一方則認(rèn)為,如果此方法可以作為轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的另一種形式存在,勢(shì)必造成轉(zhuǎn)速計(jì)量領(lǐng)域里的混亂。比較統(tǒng)一的看法是:使用轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置(即標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源) 對(duì)現(xiàn)有的各類轉(zhuǎn)速表進(jìn)行檢測(cè)/ 校準(zhǔn),綜合考慮了轉(zhuǎn)速表實(shí)際工況,更具科學(xué)性和合理性。

1.3選擇紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速儀設(shè)計(jì)的意義

紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速儀是一種非接觸式，光電傳感的轉(zhuǎn)速計(jì)量?jī)x器。它由光源、光電盤(pán)、光敏二極管、檢波放大電路與數(shù)顯裝置等組成。光電盤(pán)隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng),光敏二極管將光電盤(pán)透射來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖的頻率,即可在數(shù)顯裝置上讀出旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。目前我國(guó)的轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家想比，在精度上與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督局的文件顯示，目前在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的高精度轉(zhuǎn)速計(jì)量?jī)x器中，90%的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的測(cè)量準(zhǔn)確度只能達(dá)到0.1%左右，而在發(fā)達(dá)國(guó)家的測(cè)量精度能達(dá)到0.05%?？上攵?#xff0c;兩者測(cè)量精度的不一樣，會(huì)在產(chǎn)品的質(zhì)量上產(chǎn)生什么樣的結(jié)果。同樣由于機(jī)械式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的精度上和測(cè)量方式上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，所以采用紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x是轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器發(fā)展的一種不可避免的趨勢(shì)。

1.4設(shè)計(jì)紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速儀所做的工作

在設(shè)計(jì)紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速儀的工作中，總共分為以下步驟：

一、? 搜集資料

二、? 實(shí)驗(yàn)仿真

三、? 購(gòu)買元件，焊接電路

四、? 檢查電路，測(cè)試電路

五、? 改進(jìn)完善電路

第2章 硬件部分簡(jiǎn)介

2.1具體方案論證及設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的數(shù)字檢測(cè)基本方法是利用與電動(dòng)機(jī)同軸連接的光電脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理[1 ] ,根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列,測(cè)量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有:M法(測(cè)頻法) 、T 法(測(cè)周期法) 和MPT 法(頻率P周期法) 。

2. 1 　M法(測(cè)頻法)

在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi),檢測(cè)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。雖然檢測(cè)時(shí)間一定,但檢測(cè)的起止時(shí)間具有隨機(jī)性,因此M法測(cè)量轉(zhuǎn)速在極端情況下會(huì)產(chǎn)生士1 個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)速較高或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)較大時(shí),才有較高的測(cè)量精度,因此M 法適合于高速測(cè)量。

2. 2 　T 法(測(cè)周期法)

它是測(cè)量光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定轉(zhuǎn)速。相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)間的測(cè)量是采用對(duì)已知高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在極端情況下,時(shí)間的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生士1 個(gè)高頻脈沖周期,因此T 法在被測(cè)轉(zhuǎn)速較低(相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)間較大) 時(shí),才有較高的測(cè)量精度,所以T 法適合于低速測(cè)量。

2. 3 　M/T 法(頻率P周期法)

它是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。由于同時(shí)對(duì)兩種脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),因此只要“同時(shí)性”處理得當(dāng),M/T 法在高速和低速時(shí)都具有較高的測(cè)速精度。

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速范圍0～9999之間測(cè)量轉(zhuǎn)速，所以紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速儀既要測(cè)量低速轉(zhuǎn)速又要測(cè)量高速轉(zhuǎn)速，而M/T法在高速和低速時(shí)都有較高的精度。由于M/T 法可在整個(gè)速度范圍內(nèi)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(yīng)。所以本次設(shè)計(jì)采用M/T法

2.2各組成芯片功能簡(jiǎn)介

鎖存芯片74LS273

555時(shí)鐘發(fā)生器

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74LS47 3-8譯碼器

74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

2.3器件清單

器件名稱	用處及規(guī)格	數(shù)量
IC 74LS160	計(jì)數(shù)器	6
IC 74LS47	譯碼	3
IC 74LS273	鎖存	2
IC NE555	產(chǎn)生時(shí)鐘	1
IC NE555	整形	1
七段數(shù)碼管	顯示	3
紅外發(fā)射管	產(chǎn)生紅外	1
紅外接收管	接收紅外	1
開(kāi)關(guān)	電路控制	若干

第3章? 電路組成及原理

㈠、測(cè)速儀原理框圖?如圖所示：

㈡、獨(dú)立設(shè)計(jì)電路，我們采用電子仿真軟件multisim8進(jìn)行仿真，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我們進(jìn)行實(shí)際電路的焊接和電路的調(diào)試提供了理論依據(jù)。

3.1紅外發(fā)射與接收電路組成及原理

??????? 紅外發(fā)射電路發(fā)射紅外線，下面的紅外接收管接收紅外線，在發(fā)射級(jí)產(chǎn)生正弦電壓輸出，將此產(chǎn)生的正弦電壓經(jīng)過(guò)整形放大電路后形成方波。

3.2整形電路組成及原理

經(jīng)過(guò)紅外傳感器接收到的信號(hào)是正弦信號(hào)，不能作為邏輯門的輸入信號(hào)。所以必須要有整形轉(zhuǎn)換電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用NE555定時(shí)器來(lái)進(jìn)行整形。

3.3脈沖記數(shù)電路組成及原理

將輸入的脈沖信號(hào)接入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器采用3個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160D實(shí)驗(yàn)3位計(jì)數(shù)。接線方法如下圖所示：

3.4譯碼顯示電路組成及原理

譯碼顯示電路是其中最關(guān)鍵的電路之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能不能正確顯示就看譯碼顯示電路。在實(shí)驗(yàn)中我們使用的是共陽(yáng)的七段數(shù)碼顯示管。Q_{A 、}Q_B‘ Q_C、Q_D的接出線通過(guò)74LS47D4-7譯碼器譯碼，按七段數(shù)碼顯示管的引腳對(duì)應(yīng)接線。

3.5鎖存電路組成及原理

鎖存集成有電平和邊沿觸發(fā)之分，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮進(jìn)去，內(nèi)部構(gòu)造大都采用D觸 發(fā)器形式，使用電平或者脈沖方式來(lái)觸發(fā)。而從前面的分析看，本次設(shè)計(jì)的鎖存電路必須采用邊沿觸發(fā)方式的集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榧偃绮捎秒娖椒绞降脑?#xff0c;那么在 秒脈沖的正半周（既高電平）會(huì)使鎖存器一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，不能正常顯示測(cè)量值。因此采用邊沿觸發(fā)就可以在極短的時(shí)間內(nèi)將所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，而在其它時(shí) 間內(nèi)處于封閉狀態(tài)。

查閱數(shù)據(jù)集成資料并，發(fā)現(xiàn)8D鎖存器74L273正適合要求，這款集成多在計(jì)算機(jī)電路中運(yùn)用，而且容易購(gòu)買，此集成為20腳封裝，內(nèi)部有8個(gè)D鎖存器，采用兩個(gè)這樣的集成便可以實(shí)現(xiàn)4位10進(jìn)制的的數(shù)據(jù)傳輸，它以上升沿作為CP端（即CLK）的有效觸發(fā)，將8個(gè)D輸入同時(shí)打到輸出Q端，在輸出端加有三態(tài)驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部其管腳排列如下左圖，內(nèi)部構(gòu)造（單個(gè)D觸發(fā)器）如下右圖

??

由于輸入脈沖每秒的個(gè)數(shù)很多，如果不采用鎖存電路控制顯示時(shí)間，那么七段數(shù)碼管就會(huì)不斷的跳動(dòng)，不能看清上面顯示的具體數(shù)字。另外時(shí)鐘電路所控制的時(shí)間也需要通過(guò)鎖存電路來(lái)達(dá)到顯示每分鐘轉(zhuǎn)速的目的。74LS273是八位鎖存電路，總共有12位接出線，所以需要兩個(gè)74LS273。

3.6時(shí)鐘電路組成及原理

時(shí)鐘發(fā)生電路在電路中起到計(jì)時(shí)的作用，用來(lái)控制計(jì)數(shù)時(shí)間，同時(shí)也控制顯示間隔。所以時(shí)鐘發(fā)生電路在整個(gè)電路中起到開(kāi)關(guān)控制電路。

我們?cè)谵D(zhuǎn)盤(pán)上有六個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，那么每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)產(chǎn)生6個(gè)脈沖。假設(shè)1s轉(zhuǎn)x圈，那么每秒就是6x個(gè)脈沖，那么一分鐘就是360x個(gè)脈沖60x個(gè)圈。時(shí)鐘電路采用NE555定時(shí)器電路產(chǎn)生60Hz信號(hào)，將信號(hào)介入由3個(gè)74LS160D構(gòu)成的600進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也就是說(shuō)十秒產(chǎn)生一個(gè)脈沖來(lái)控制顯示。十秒鐘計(jì)數(shù)器總共有60x個(gè)脈沖，也就是一分鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)。這樣就達(dá)到了測(cè)量轉(zhuǎn)速的目的。

總結(jié)

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