摘? 要

關鍵詞：轉速測量;計數器；紅外發射接收

英文關鍵詞：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的測量電機轉速的儀器。根據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，是一種很有應用和發展前景的轉速測量儀。

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數字電子技術發展現狀

電子技術可分為數字電子技術和模擬電子技術,數字電子技術是當前發展最快的學科之一,就邏輯器件而言,已經從20世紀40年代的電子管,20世紀50年代的晶體管,20世紀60年代的小規模集成電路,發展到現在的中規模集成電路,大規模集成電路,超大規模集成電路.近幾年又出現了可編程邏輯器件,為數字電路設計提供了更加完善方便的器件設計過程和方法也再不斷的演變和發展.由于半導體技術的迅速發展,微型計算機的廣泛應用,使得數字電路技術在現代科學技術領域中占有很重要的地位,在各個領域中得到了廣泛的應用 .

1.2轉速檢測計量技術的發展現狀與存在的問題

1.2.1轉速概述

轉速是旋轉物體的轉數與時間之比的物理量,是描述各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。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、轉數) 出現的次數,從理論上講,轉速值可以直接和頻率值進行比對。測時計數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。

1.2.2轉速表的類型和檢測技術

轉速測量技術隨著科學技術的飛速發展,在旋轉物體速率測量方式上應用了各種新的技術,實現了測量的準確高效、安全便捷。轉速表依據測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,轉速表依據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,并呈現將被電子計數式轉速表逐漸取代的趨勢。轉速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,極少數產品能達到0. 05 %。

1.2.2.1 機械式轉速表

檢測中,被測轉速表通過機械聯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接方式取決于被檢表實際使用時的聯接狀態。

1.2.2.2 光電式轉速表

對光電式轉速表,目前使用的檢測裝置有兩種:

(1) 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。(2) 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生器、頻率計數計及一個發光二極管組成。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,在轉速界爭議較大,下面給出較為詳細地討

論。

1.2.2.3 頻閃式轉速表

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關系時,轉軸上的標記呈現停留不動的狀態,這時,轉速表顯示值與頻閃象停留序數的乘積即為轉速表的實測值。

1.2.2.4 磁電式轉速表

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,應根據傳感器的結構原理設法使轉速標準裝置。

1.2.3國內轉速計量技術存在的問題

目前國內使用的轉速儀表在測試精度 、測量范圍 、實現監控 、性能價 格比等方面均存在明顯的缺陷

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。比較統一的看法是:使用轉速標準裝置(即標準轉速源) 對現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。

1.3選擇紅外數字轉速儀設計的意義

紅外數字轉速儀是一種非接觸式，光電傳感的轉速計量儀器。它由光源、光電盤、光敏二極管、檢波放大電路與數顯裝置等組成。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,然后通過計數脈沖的頻率,即可在數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達國家想比，在精度上與發達國家還有一定的差距。國家質量監督局的文件顯示，目前在我國工業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，而在發達國家的測量精度能達到0.05%。可想而知，兩者測量精度的不一樣，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，所以采用紅外數字轉速測量儀是轉速測量儀器發展的一種不可避免的趨勢。

1.4設計紅外數字轉速儀所做的工作

在設計紅外數字轉速儀的工作中，總共分為以下步驟：

一、? 搜集資料

二、? 實驗仿真

三、? 購買元件，焊接電路

四、? 檢查電路，測試電路

五、? 改進完善電路

第2章 硬件部分簡介

2.1具體方案論證及設計

電機轉動速度的數字檢測基本方法是利用與電動機同軸連接的光電脈沖發生器的輸出脈沖頻率與轉速成正比的原理[1 ] ,根據脈沖發生器發出的脈沖速度和序列,測量轉速和判別其轉動方向。根據脈沖計數來實現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) 。

2. 1 　M法(測頻法)

在規定的檢測時間內,檢測光電脈沖發生器所產生的脈沖信號的個數來確定轉速。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士1 個轉速脈沖的誤差。當被測轉速較高或電機轉動一圈發出的轉速脈沖信號的個數較大時,才有較高的測量精度,因此M 法適合于高速測量。

2. 2 　T 法(測周期法)

它是測量光電脈沖發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測量是采用對已知高頻脈沖信號進行計數來實現的。在極端情況下,時間的測量會產生士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。

2. 3 　M/T 法(頻率P周期法)

它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內光電脈沖發生器所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數,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。

本設計要實現在轉速范圍0～9999之間測量轉速，所以紅外數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

2.2各組成芯片功能簡介

鎖存芯片74LS273

555時鐘發生器

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74LS47 3-8譯碼器

74LS160十進制計數器

2.3器件清單

器件名稱	用處及規格	數量
IC 74LS160	計數器	6
IC 74LS47	譯碼	3
IC 74LS273	鎖存	2
IC NE555	產生時鐘	1
IC NE555	整形	1
七段數碼管	顯示	3
紅外發射管	產生紅外	1
紅外接收管	接收紅外	1
開關	電路控制	若干

第3章? 電路組成及原理

㈠、測速儀原理框圖?如圖所示：

㈡、獨立設計電路，我們采用電子仿真軟件multisim8進行仿真，獲得了大量的實驗數據，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。

3.1紅外發射與接收電路組成及原理

??????? 紅外發射電路發射紅外線，下面的紅外接收管接收紅外線，在發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。

3.2整形電路組成及原理

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，我們采用NE555定時器來進行整形。

3.3脈沖記數電路組成及原理

將輸入的脈沖信號接入計數器計數。計數器采用3個十進制計數器74LS160D實驗3位計數。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鍵的電路之一。實驗結果能不能正確顯示就看譯碼顯示電路。在實驗中我們使用的是共陽的七段數碼顯示管。Q_{A 、}Q_B‘ Q_C、Q_D的接出線通過74LS47D4-7譯碼器譯碼，按七段數碼顯示管的引腳對應接線。

3.5鎖存電路組成及原理

鎖存集成有電平和邊沿觸發之分，設計時要充分考慮進去，內部構造大都采用D觸 發器形式，使用電平或者脈沖方式來觸發。而從前面的分析看，本次設計的鎖存電路必須采用邊沿觸發方式的集成電路來實現，因為假如采用電平方式的話，那么在 秒脈沖的正半周（既高電平）會使鎖存器一直處于導通狀態，不能正常顯示測量值。因此采用邊沿觸發就可以在極短的時間內將所需要的數據進行傳送，而在其它時 間內處于封閉狀態。

查閱數據集成資料并，發現8D鎖存器74L273正適合要求，這款集成多在計算機電路中運用，而且容易購買，此集成為20腳封裝，內部有8個D鎖存器，采用兩個這樣的集成便可以實現4位10進制的的數據傳輸，它以上升沿作為CP端（即CLK）的有效觸發，將8個D輸入同時打到輸出Q端，在輸出端加有三態驅動，其內部其管腳排列如下左圖，內部構造（單個D觸發器）如下右圖

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由于輸入脈沖每秒的個數很多，如果不采用鎖存電路控制顯示時間，那么七段數碼管就會不斷的跳動，不能看清上面顯示的具體數字。另外時鐘電路所控制的時間也需要通過鎖存電路來達到顯示每分鐘轉速的目的。74LS273是八位鎖存電路，總共有12位接出線，所以需要兩個74LS273。

3.6時鐘電路組成及原理

時鐘發生電路在電路中起到計時的作用，用來控制計數時間，同時也控制顯示間隔。所以時鐘發生電路在整個電路中起到開關控制電路。

我們在轉盤上有六個標記點，那么每轉一圈就會產生6個脈沖。假設1s轉x圈，那么每秒就是6x個脈沖，那么一分鐘就是360x個脈沖60x個圈。時鐘電路采用NE555定時器電路產生60Hz信號，將信號介入由3個74LS160D構成的600進制計數器，也就是說十秒產生一個脈沖來控制顯示。十秒鐘計數器總共有60x個脈沖，也就是一分鐘轉的圈數。這樣就達到了測量轉速的目的。

總結

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