红外线测转速表课程设计.docx
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红外线测转速表课程设计
学科分类号
本科学生电子课程设计论文
题目：
红外线测转速表
姓名谢金秀
学号**********
院（系）工学院
专业、年级应用电子技术教育2006级
指导教师汪鲁才、兰浩、杨小钨老师
2008年9月30日
指导教师评定成绩
评审基元
评审要素
评审内涵
满分
指导教师
实评分
选题质量15%
目的明确
符合要求
选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到课程设计论文综合训练的目的。
5
理论意义或
实际价值
符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。
5
选题恰当
题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。
5
能力水平50%
查阅文献
资料能力
能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。
10
综合运用
知识能力
能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。
10
研究方案的
设计能力
整体思路清晰；研究方案合理可行。
5
研究方法和手段的运用能力
能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。
20
外文应用
能力
能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。
5
设计论文35%
写作水平
论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。
15
写作规范
符合学术论文的基本要求。
用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。
10
论文篇幅
5000字左右。
10
实评总分成绩等级
指导教师评审意见：
指导教师签名：
说明：
评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。
摘 要
关键词：
转速测量;计数器；红外发射接收
英文关键词：
themeasurementofrotaryspeed;counter;infraredraysendandincept.
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:
TheprogramandprincipleoftestingenginespeedwithIntegratedcircuitsisexplained.Thehardwarecircuitisdesigned.Thedesignofcircuits’prinncipleisgivenout.Thisschemeofdesign,whichobtainswideapplicationinmeasuringenginespeed,alsohasavalueofapplicationandpromotion.
第1章绪论
一、红外线转速表的发展现状与存在的问题
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，是代替机械转速表，用来测量转动速率的一种计量仪表。
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，在电器设备中应用十分广泛。
但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%。
二、转速测量技术的发展现状与存在的问题
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。
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）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。
（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:
a.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。
b.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。
（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。
（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。
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。
三．选题意义
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，是一种代替机械转速表，用来测量转动速率的计量仪表。
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。
四．本设计的工作
在设计红外数字转速表的工作中，总共分为以下步骤：
一、搜集资料
二、设计电路图，实验仿真
三、购买电路元件
四、组装调试电路（1、实验仪器有面包板、刨线钳、电源、示波器、信号发生器。
2、在组装过程中，按照分块进行的原则，先焊接好第一部分，然后进行检测，确定该部分电路正确后，在焊接下一部分电路。
例如：
先焊接好1HZ的时钟信号发生器，然后加电压，用示波器观察信号输出，再调整电位器，达到要求的1HZ的方波信号后。
接着再组装好剩下的电路部分，接上电源及脉冲信号，观察显示，这样可以减少很多焊接错误。
3、在最后调试过程中，发现计数不稳定，仔细检查电路的连接，没有出错，那就有可能是电路虚焊。
）
五、改进完善电路（例如：
整形电路可以用NE555定时器构成的施密特触发器整形，可以用OP07构成比较器做整形放大电路，也可以直接用74LS14构成整形电路。
）
六、写设计报告
第2章硬件部分简介
一、具体方案论证与设计
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,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）。
方案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。
方案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。
方案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0～999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。
二、主控芯片的简介
74LS48译码器
译码、显示电路是组合逻辑电路中重要的逻辑部件，通常译码器采用的是七段字型译码器，其作用是将输入的4位BCD码DCBA译成与其对应的七段字型输出，用于驱动数码管，显示从0-9的数字。
在本实验中用来对红外脉冲计数，本实验采用74LS48译码器，用来驱动共阴极的发光二极管显示器。
下面为74LS48引脚图及七段数码管显示系统：
74LS160十进制计数器
74LS160是电路集成的、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数器,其优点是计数速度快。
一般采用复位和置数的方法来实现其他计数器。
下面为74LS160的引脚图：
555时钟发生器
555定时器是一种双极型模拟数字兼容的集成器件，只需在其外部配上少量的阻容元件，就可以构成单稳触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲电路。
由于它使用灵活、方便，电源范围大，因而广泛地应用在波形产生、变换、测量与控制等方面。
以下为NE555管脚图及内部原理图：
OP07运算放大器
OP07通过外接两个阻值不同的电阻实现分压，可以构成一个比较器。
只要根据OP07的输入端电压的最大值和最小电压值，来计算出两个电阻的阻值，获得一个界于最大和最小电压的中间值，输出就可以得到一个一个高电平和一个低电平，实现整形电路的功能。
三、器件清单
器件名称
用处及规格
数量
IC74LS160
计数器
５
IC74LS48
译码
3
CNE555
产生时钟
1
OP07
整形
1
七段数码管
显示
3
红外发射接收管
发射、接收红外线
1
万能板
元件
1
电阻、电容
元件
若干
开关
电路控制
1
第3章电路组成及原理
一、测速表原理框图
二、独立设计电路
我采用了电子仿真软件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。
总设计电路图见附件。
三、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，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。
电路结构如下图所示：
四、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，我采用了OP07构成比较器来进行整形，输入接红外线的输出信号，输出接到三位的计数器，在通过译码显示。
仿真电路图及输出波形：
电路图输出波形
五、脉冲计数电路组成及原理
将NE555产生的1HZ脉冲信号接入计数器计数。
计数器采用2个十进制计数器74LS160D实现2位计数,当计数到60，停止计数，实现一分钟定时功能。
电路图如下所示：
六、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。
实验结果能否正确显示就看译码显示电路接法是否正确。
在实验中我使用的是共阴的七段数码显示管。
QA、QB、QC、QD的接出线通过74LS48D4-8译码器译码，按七段数码显示管的引脚对应接线，输入接整形后的输出信号。
仿真电路图如下：
七、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1个标记点，那么每转一圈就会产生1个脉冲。
假设1s转x圈，那么每秒就是x个脉冲，那么一分钟就是60x个脉冲60x个圈。
时钟电路采用NE555定时器电路产生1Hz信号，将信号介入由2个74LS160D构成的60进制计数器，也就是说一秒钟产生一个脉冲来控制显示。
一秒钟计数器总共有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。
仿真电路图及输出波形如下所示:
电路图输出波形
第4章结论
由于该电路为最基本的测速表，其所要求的准确度和精确度都不是很高，而且该电路基本是有数字电路所构成，结构简单，能够进行仿真，电路接线也简单，因此相比模拟电路还简单得多。
该电路最大的优点是运用74LS160，相比74LS90计数速度快一些，减少延时，提高计数准确度；红外管的灵敏度高，从而减少了测试结果的误差；它是一种非接触型的测试器，使用安全，方便。
整个电路主要以数字电路为主，因此相对模拟电路来说误差还是小很多，只要仿真结果是正确的，焊接电路不出错，实现其电路功能是比较容易的。
本设计中的不足与改进建议：
（1）产生1HZ的时钟信号，电路不够稳定。
该电路是由一个NE555定时器构成的多谐振荡器直接产生1HZ的时钟信号，由于电路的频稳度不是很高，所接的电阻和电容参数的不精确，从而使得所产生的频率不稳定。
应考虑用频稳度高的石英晶体振荡电路会更好些。
（2）整形电路是不够理想，延长了测量时间，从而增大了电路误差。
（3）该测速表的测量范围比较小，只能测出0~999r/min的转速，超过999r/min就会出现乱码，降低其电路的实用性。
可以考虑扩大其电路的测量范围，提高电路的实用性。
（4）该电路没有记忆功能，不能把所测的速度保存下来，必须要人工记录。
清零电路不够方便，是由一个单刀开关实现，必须需要手动清零，而不能自动清零。
可以考虑用锁存器实现记忆功能，用延时开关或一个延时电路自动清零。
总之，该电路结构简单，只能用于要求很低的场合，而对于要求比较高的电路是不实用的。
因此还有许多细节的地方需要改进。
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[13]
[14]
[15]
致谢
本设计到最后能够调试成功，与我的指导老师汪鲁才、兰浩、杨小钨老师的精心辅导是离不开的，在此感谢汪鲁才、兰浩、杨小钨三位导师对我的细心栽培。
另外还要感谢汪鲁才老师、兰浩老师，因为他们的建议打开了我的思路，让本设计进一步得到完善。
还要感谢叶操和白易，以及那些向我提供建议和方法来帮助我的同学们。
附件：
仿真电路图
实物图
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