红外线测速仪 简易实现

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; infrared ray send and incept

 

摘要：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 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          绪  论

1.1数字电子技术发展现状

电子技术可分为数字电子技术和模拟电子技术,数字电子技术是当前发展最快的学科之一,就逻辑器件而言,已经从20世纪40年代的电子管,20世纪50年代的晶体管,20世纪60年代的小规模集成电路,发展到现在的中规模集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路.近几年又出现了可编程逻辑器件,为数字电路设计提供了更加完善方便的器件设计过程和方法也再不断的演变和发展.由于半导体技术的迅速发展,微型计算机的广泛应用,使得数字电路技术在现代科学技术领域中占有很重要的地位,在各个领域中得到了广泛的应用 .

 

1.2转速检测计量技术的发展现状与存在的问题

1.2.1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。

1.2.2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 %。

1.2.2.1 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。

1.2.2.2 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:

(1) 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。(2) 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,下面给出较为详细地讨

论。

1.2.2.3 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。

1.2.2.4 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。

 

1.2.3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。

1.3选择红外数字转速仪设计的意义

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。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。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。

1.4设计红外数字转速仪所做的工作

在设计红外数字转速仪的工作中，总共分为以下步骤：

一、  搜集资料

二、  实验仿真

三、  购买元件，焊接电路

四、  检查电路，测试电路

五、  改进完善电路

第2章 硬件部分简介

2.1具体方案论证及设计

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[1 ] ,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) 。

2. 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,因此M法测量转速在极端情况下会产生士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。

2. 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,时间的测量会产生士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。

2. 3 　M/T 法(频率P周期法)

它是同时测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0～9999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

 

 

2.2各组成芯片功能简介

锁存芯片74LS273

 

 

 

 

555时钟发生器

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

74LS47 3-8译码器

 

 

 

74LS160十进制计数器

 

 

2.3器件清单

器件名称	用处及规格	数量
IC 74LS160	计数器	6
IC 74LS47	译码	3
IC 74LS273	锁存	2
IC NE555	产生时钟	1
IC NE555	整形	1
七段数码管	显示	3
红外发射管	产生红外	1
红外接收管	接收红外	1
开关	电路控制	若干

 

第3章  电路组成及原理

㈠、测速仪原理框图 如图所示：

 

 

㈡、独立设计电路，我们采用电子仿真软件multisim8进行仿真，获得了大量的实验数据，为我们进行实际电路的焊接和电路的调试提供了理论依据。

 

3.1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，下面的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。

 

 

 

3.2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，我们采用NE555定时器来进行整形。

3.3脉冲记数电路组成及原理

将输入的脉冲信号接入计数器计数。计数器采用3个十进制计数器74LS160D实验3位计数。接线方法如下图所示：

3.4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。实验结果能不能正确显示就看译码显示电路。在实验中我们使用的是共阳的七段数码显示管。Q_{A 、}Q_B‘ Q_C、Q_D的接出线通过74LS47D4-7译码器译码，按七段数码显示管的引脚对应接线。

 

3.5锁存电路组成及原理

锁存集成有电平和边沿触发之分，设计时要充分考虑进去，内部构造大都采用D触 发器形式，使用电平或者脉冲方式来触发。而从前面的分析看，本次设计的锁存电路必须采用边沿触发方式的集成电路来实现，因为假如采用电平方式的话，那么在 秒脉冲的正半周（既高电平）会使锁存器一直处于导通状态，不能正常显示测量值。因此采用边沿触发就可以在极短的时间内将所需要的数据进行传送，而在其它时 间内处于封闭状态。

查阅数据集成资料并，发现8D锁存器74L273正适合要求，这款集成多在计算机电路中运用，而且容易购买，此集成为20脚封装，内部有8个D锁存器，采用两个这样的集成便可以实现4位10进制的的数据传输，它以上升沿作为CP端（即CLK）的有效触发，将8个D输入同时打到输出Q端，在输出端加有三态驱动，其内部其管脚排列如下左图，内部构造（单个D触发器）如下右图

  

 

 

由于输入脉冲每秒的个数很多，如果不采用锁存电路控制显示时间，那么七段数码管就会不断的跳动，不能看清上面显示的具体数字。另外时钟电路所控制的时间也需要通过锁存电路来达到显示每分钟转速的目的。74LS273是八位锁存电路，总共有12位接出线，所以需要两个74LS273。

3.6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。所以时钟发生电路在整个电路中起到开关控制电路。

我们在转盘上有六个标记点，那么每转一圈就会产生6个脉冲。假设1s转x圈，那么每秒就是6x个脉冲，那么一分钟就是360x个脉冲60x个圈。时钟电路采用NE555定时器电路产生60Hz信号，将信号介入由3个74LS160D构成的600进制计数器，也就是说十秒产生一个脉冲来控制显示。十秒钟计数器总共有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。