数字式红转速表

数字式红转速表

1.绪论

1.1 数字电子技术发展现状

数字电子技术是当前发展最快的学科之一，电子技术可分为数字电子技术和模拟电子技术,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

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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

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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。

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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：（1） 搜集资料 （2） 实验仿真（3）购买元件，焊接电路（4）检查电路，测试电路（5）改进完善电路。

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2.设计内容及要求

（1）设计四位数数字显示红外线转速表。转速表用红外线发光管。测速范围0-9999转/分，实现近距离测量； （2）组装、调试红外线转速表；

（3）发射的红外线用一定的频率脉冲调制，接收的调制脉冲通过解调电路得到被测转动体的转速脉冲；

（4）画出完整的电路图，写出设计、调试报告；

（5）选作远距离测量。

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3.主要元器件简介

555多谐振荡器一片，74LS160计数器四片，

74LS194型锁存器四片，74LS48显示译码器4片

7SEG-DIGITAL七段液晶显示器四个，与门，非门，及与非门若 干 电阻电容开关若干，直流电源若干 3.1 74LS160计数器：

图1. 同步十进制计数器74LS160引脚图

各引出端功能为：RCO为进位输出端；QD—QA为计数器的输入端；D C B A为计数器的并行输入端；CLK为时钟脉冲输入端；ENF、ENT为计数器的控制端，均为高电平时为计数状态，否则为保持状态；~LOAD为同步并行置数允许端（低电平有效）；~CLR为异步清零端（低电平有效）。

其逻辑功能如表一所示。表中×表示任意状态，0表示低电平，1表示高电平，↑表示时钟脉冲的上升沿。 74LS160十进制计数器功能

74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计

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数器

其功能表如下：

表1.十进制计数器功能表

1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;

当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7上。

3.2 555多谐振荡器

555 芯片是定时器,是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐

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振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

3.3 74LS48显示译码器

3.3.1 74Ls48属CMOS型的有CD4055液晶显示驱动器。74LS48为高电平有效，用语驱动共阴极的LED显示器，其内部电路的输出级有集电极电阻，所以使用时可以直接接显示器。

表2.7段显示译码器的真值表 输入 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 输出 显示字形 a b c d e f g 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

3.3.2 74LS48的引脚图排列如图所示。在74LS48中除了输入端和输出端外，还设置了一些辅助端口。这些辅助端的功能如下：

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图2.集成7段译码驱动器74LS48引脚图

试灯输入端LT：低电平有效。当LT=0时，数码管的七段全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏。

动态灭零输入端RBI：低电平有效。当LT=1、RBI=0、且译码输入全为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入用于消隐无效的0.如数据0034.53可以显示为34.5。

灭灯输入/动态灭零输出端BI/RBO：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当BI/RBO作为输入使用，且BI/BRO=0时数码管七段全灭，与译码输出无关。当BI/BRO作为输出使用，受控于LT和RBI：当LT=1且RBI=0时，BI/RBO=0；其他情况下BI/RBO=1.本端扭主要用于显示，多个译码器之间的连 3.4 74LS194型锁存器 特点：

1.并行输入和并行输出

2.四种操作方式：同步并行寄存、右移、左移、不动（保持） 3.正沿时钟触发 4.无条件直接清除

5.典型参数：f工作频率=36MHz Pd=75mW

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图3. 74LS194型锁存器引脚图

本电路有 46个等效门,有并行输入、并行输出、右移和左移串行输入 ,操作模式控制输入和一个直接无条件清零。设计者实际上组合了系统设计者在一个移位寄存器上所要的全部特点。电路有四个不同的操作方式，为: 并行(并排)寄存(置数) 右移(方向 QA到 OD) 左移(方向 QD到 OA) 禁止时钟(不动)

同步的并行置数是通过加4个数据位,并使模式控制输入端S0和S1为高电平而完成的。在时钟输入的正跃变之后,可把数据存入到相应的触发器上并在输出端输出。当置数时,串行数据流被禁止。

右移是在 S0为高和 S1为低时,用时钟的脉冲上升沿去同步地完成。这种方式的串行数据是在右移数据输入端上进行。当 S0为低和 S1为高时,可同步地左移数据,而数据被送入左移串行输入端。

当两个模式控制输入都为低时,触发器的时钟脉冲便被禁止。

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4.设计原理及步骤

4.1测速仪原理框图

被测量 光电转换 装置 计数器 显示 锁存译码

555 定时器 60进制 计数器 6s 脉冲信号 图4测速仪原理框图

红外线转速表采用的红外线探头有直接试和反射式两种。直接式探头、发光管和受光管在被测物体的两边，发光管射出的光线直接照射到受光管上，被测物体运动时阻挡光线，产生计数信号，这种探头经常用做光电计数。反射式探头、发光管和受光管在被测物体的同侧，当探头接近物体时，接收到脉冲的红外线信号。

4.2 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) 。

4.2.1 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

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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。。

4.2.2M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。

4.2.3 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10～990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

4.3 技术要求与指标

（1）、用红外线发光二极管，光敏三极管作为速度转换装置 （2）、测速范围：0~9999转/分。 （3）、两位数字显示，显示不允许闪烁

4.4 各部分电路图

4.4.1 红外线反射原理

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图5.红外线反射原理图 4.4.2 光电转换电路模拟图

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图6. 光电转换电路模拟图

数脉冲，传给寄存译码显示电路，计数一次。

当发光二极管照到转轴的反射膜上时，光敏三极管导通，此时输出一个高电平计

4.4.3 1s脉冲发生电路-555定时器

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图7. 1s脉冲发生电路-555定时器模拟电路

该555定时器用于产生1s时钟脉冲，以触发下图计数锁存电路

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图8.60S计时锁存电路模拟图

该电路组成六十进制计数器，将上图555定时器的1s计成60s，并向下级电路输出进位脉冲，触发下级电路。当到60s时，计数器u2的输出端为0110，以此作为置零信号，将该电路清零，重新开始下一次计数。

4.4.5寄存译码显示电路

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当上图计数到59s时，offpage3给出一个高电平，从而产生一个上升沿，触发两片74LS194将左边两片74LS160计的60s内的次数存进来，并传到下级译码输出。当上图计数到60s时，offpage2给出一个低电平，将两片74LS160全部清零，以等待下一个脉冲从新计数。

4.5红外测速仪总电路 详见附录1

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主门是一个控制门，在主门开通期间，计数脉冲顺利通过，在关闭期间计数脉；冲则通不过。我们测量60S内的脉冲个数，为了把这一数值显示出来，而又不闪烁，采用先锁存，再译码显示。为了第二次测量，在计数值锁存后需对计数器清零，所以在关闭期间需完成锁存和清零功能，如以开门信号的后沿作标准，锁存延时为延时1，清零延时为延时2，可用锁存延时的结束时间做为清零延时的触发控制。

4.6单元计算电路： 4.6.1 光电转换

为保证发光二极管HG411的最大电流不超过30mA，考虑红外发光二极管的正向

5?1.4压降为（1.3~1.5）V，电源电压采用5V，则限流电阻R=30=0.12KΩ，取

R=108 KΩ，采用三极管的饱和导通与截止来控制发光二极管的发光与熄灭，省去了用人功法来模拟遮光板的作用，给电路调试带来方更。为了获得波形好的方波，光敏三极管的输出经施密特触发器整形，触发器选用CD40106。

4.6.2 脉冲计时

按照主控时序图,周期T=6s，电路选用多谐振荡器，电路如图(五)所示。 多

??Vth(VDD?Vth)ln?ln??VthV(V?V)thDDth谐振荡器的周期为：T=t1+t2= RC+RC取=(2.7~2.9)V，?Vth=2.1V，VDD=5V， T≈0.98RC。由公式T=（R1+2R2）Cln2,可知，555定时

器输出脉冲的频率为1/（R1+2R2）Cln2，即Hz=1/（2886+5772*2）*0.00001*ln2=10.04325，即为：10Hz，T=0.01S，从而得到6S钟定时信号。 在选定电容数值后，即可根据上式计算出R值来，但为了满足设计要求，在安装调试中可能有些变化。

4.6.3 锁存和清零脉冲的形成

主门开通时间为6s，关闭时间应尽可能短一些，以便提高测量速度，同时又应

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使电路简化，本电路中的计数器采用74LS160D，主控X可由端口经过非门，与非门再及与门从而得到定时输出1，及定时输出2等脉冲控制信号。

锁存要求负脉冲，清零要求正脉冲（这取决于采用的集成电路的类型），锁存延时取为80ms左右，而清零延时亦取为80ms左右，电路采用一形式。

4.6.4 译码显示电路

译码器采用具有锁存功能的74LS194，和具有锁存功能74LS194N，所以总框图中的锁存器与译码器合二为一，由74LS194N完成，锁存脉冲为（3）中讨论的定时输出2。

显示器采用共阴极数码管，但CMOS电路输出电压较TTL为高，为延长数码管使用寿命，在实际电路中每个数码这阳极串联一400Ω电阻再接到地线上。

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5 设计总结

5.1 设计中遇到的问题及解决办法

5.1.1 在做计数模块时，74LS160D，的连接方法，以及计数器的清零处理，及清零脉冲的处理。通过查阅课本，上网查资料，以及向老师同学求助，从而得以解决。

5.1.2 在做定时模块电路时，555多谐振荡器，电阻的调节，电容的匹配，在计算及调试上存在困难，通过多次模拟仿真。

5.1.3 在做数码显示模块时，数码显示不稳定问题，连续闪烁。通过添加74LS194D锁存器，从而顺利解决这个问题。在锁存器清零脉冲的选择上与计数器清零基本一致。

5.1.4 在做整体电路设计时，由于电路系统较大，只能采用分页显示。分页显示时又遇到两页之间连接问题，通过键入分页偏置器，解决这个问题 5.2 设计心得及体会

通过本次课程设计，使我初步掌握了电子线路设计的基本思想和方法对红外测速仪的基本原理有了初步的认识。在设计过程中我通过阅读相关资料，与同学交流，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识也经历了不少艰辛但收获巨大。在整个设计中我懂得了更多也培养了我独立完成任务的能力树立了信心相信对以后的工作生活都有非常重要的影响，而且大大提高了动手能力，使我充分体会到探索的艰辛和成功的喜悦，虽然这个设计做得不太好，但是在设计过程中说学到的东西是我最大的收获和财富是我受益终生。

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参考书目

[1]李中发《电子技术》 中国水利水电出版社.2005

[2]张万忠 《可编程控制器应用技术》 化学工业出版社.2002 [3]尹宏业 《PLC可编程控制器教程》 航空工业出版社.1997

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参考书目

[1]李中发《电子技术》 中国水利水电出版社.2005

[2]张万忠 《可编程控制器应用技术》 化学工业出版社.2002 [3]尹宏业 《PLC可编程控制器教程》 航空工业出版社.1997

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/68op.html