电机转速测量

第1页摘要：本次综合课程设计主要是设计一个电机转速测量系统，它是由光电转换、整形、倍频、石英晶体振荡、分频、计数、显示译码、驱动显示、控制电路这几部分构成。对于电机转速的测量，首先要把其转换成电信号，采用在电机上安装一个打孔圆盘利用光电的转换的原理把光信号转换成电信号。再对此信号进行整形，通过对脉冲的计数测得电机的转速，把所得的频率数通过数码管的控制显示出来。本文详细叙述了各部分工作原理，并进行了实验调整，结果表明该设计符合任务要求。关键词：倍频；分频；计数；时序控制；一、概述本次综合课设电机转速测量系统的设计，是通过光电转换方式将电机的转速测量出来。在设计过程中，首先，在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上打6个小孔，孔上下分别对应着光发射和光接受器件，即利用此信号做计数所需要的脉冲，通过整形、放大使得脉冲更为规则，因为打了6个小孔，这样电机每转一周就会出来6个脉冲，我们再利用倍频电路，本次选择使用二倍频电路，每一转就可以等于2*6=12个脉冲，我们把闸门设为5秒，这样就可以得到每分钟的转数，利用计数记录闸门间的脉冲数并把其用数码管显示出来。由于测量对象转速的测量范围为6000-30000r/min，要测量其转速，必须得用5位数码管显示相应的转速。电动机转速测量系统原理框图如图1所示：课设要求满足以下指标：1.电机转速的测量范围为6000r／min30000r／min；2.测量的相对误差1%；3.根据技术指标，设计各部分电路并确定元器件参数；4.用5位LED数码管显示出相应的电机转速。在本次课程设计中所涉及到的知识范围有模拟电子电路、数字电路等课程知识，其中大部分属于数字电路知识，其中用到了芯片74LS93和74ls90进行分频，芯片74LS160进行计数以及用555芯片施密特触发器做整形模块。本设计总体可以分为转速信息提取电路的设计、时间基准的设计、计数译码显示电路的设计和控制电路的设计这四部分组成，其中转速信息提取电路的设计由传感器、整形电路、倍频电路组成；时间基准电路由晶体振荡电路和分频电路组成；计数译码显示电路由计数器电路、译码显示驱动电路组成；控制电路由数字逻辑器件构成，实现控制，最终实现任务要求。二、工作原理说明1、光电转换及整形部分原理：该部分原理就是在电机的转轴上端安装一个小圆盘，并且在圆盘上打6个孔，孔两边图1电机转速测量系统原理框图第2页分别对应着发光二极管和光敏三极管用来产生脉冲信号。当电机转动时，发光二极管发出的光就会通过小孔打到光敏三极管上，光敏三极管将光信号转换成电信号。这样产生的信号必定不是规则矩形脉冲信号，所以利用555施密特触发器电路进行整形，整形后输出规则的方波信号。2、倍频部分原理：该部分原理主要利用电容充电后，会由低电平变为高电平的原理，分别对两个电容中其中一个充电，另一个不变，这样便会有一个是由低电平变为高电平而另一个不变。把两个电容输出端相与，就会产生为原来频率二倍的频率。3、晶体振荡器部分原理：按照课设题目的要求，必须要产生严格的时间闸门，为了达到要求必须采用晶体振荡器来输出严格的时间脉冲。选择一个合适的晶体振荡器，经过分频电路产生合适的频率。4、分频部分原理：首先确定分频倍数，然后选择适当的分频器，在本次设计中我选择了四个74ls93和一个74ls90进行分频。5、时序控制部分原理：时序控制部分非常的关键。首先，在闸门时间段必须进行计数，而且在此之后必须得要进行锁存和清零两部分。这样必须得利用时序来控制，利用闸门脉冲和二倍闸门脉冲一起对计数器进行控制。这样就可以把非闸门的时间分成了两个部分，然后分别进行锁存和清零，清零后再进行下一次循环。6、计数和显示部分原理：在该部分设计采用了常用的74LS160十进制计数器，然后利用CD4511进行译码驱动，利用五位LED数码管来显示数值，与此同时让产生的进位信号作为下一位计数器的输入脉冲，从而达到带进位计数的目的。在数码管与显示译码器间加上电阻，防止对数码管的损坏。这个系统的各个部分原理已经非常的清晰明了，下面就是要对每一部分做以详细设计。三、电路设计1、光电转换电路的设计：采用光电转换电路测电动机转速，在该部分可以利用用发光元件作为光的发射部分，可以选择发光二极管作发光元件，接收部分则要选择光敏三级管作为接受部件。其基本原理是用光敏三极管接收发光二极管通过小孔发射过来的光信号。我们首先在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上打6个小孔，让发光二极管与光敏三极管通过小孔相对，这样电机每转动一周，光线就会相应通过小孔6次，因为光电转换器受光一次就会产生一个脉冲，所以说电机在每转一周后就会相应的产生了6个脉冲。设每秒内电机转动X周，则有6*X个脉冲，二陪频后相当于每分钟转了12X/60=1/5X转，在闸门时间控制时，选择闸门时间为5s的话就可以转换成电机转速X转/分钟，而显示的就是电动机每分钟的转数。其中透射法电路图如图2所示：图2透射法电路图第3页其中LED作为发光装置，R1为限流电阻，单粒普通白光LED导通电压大约为3V，电流限制在15-25mA,12-3=9，9/0.015=600欧姆，9/0.025=360欧姆，所以电阻应该在360-600欧姆之间。而三极管集电极电阻通常选择1k-5k欧姆，所以选择R1为600欧姆，R2为1k欧姆。2、整形电路的设计：整形电路主要采用555施密特触发器进行整形，具体电路图如图3所示。整形电路的作用是对光电转换电路产生的不规则脉冲信号进行整形，由于光电转换产生的脉冲非常的不规则，所以必须要用整形电路对信号进行整形。施密特整形电路首先设置两个比较电压V1、V2，当电压上升到V1时或者下降到V2时输出信号都要进行一次翻转，对于输入的脉冲信号通常选择V1=2VCC/3，V2=VCC/3。即如果输入的信号峰值为9V,当信号电压上升到6V时，则进行翻转，在信号电压下降时，当下降到3V时，输出信号也会进行翻转。这样就可以获得比较理想的矩形脉冲波形。为提高555内部比较器的参考电压的稳定性，要在5端口接一个0.01uF的电容，由脚3输出标准的矩形波。3、二倍频电路的设计：二倍频电路如图4所示，当A点输入为低电平时，经过反相器则B点为高电平，此时，D点为高电平，C点输出为低电平，经过与非门再经过非门，F点输出低电平；随着C点电压的逐渐升高，当其电压大于2.5V时，F点便输出为高电平，这样把输入信号的低电平变为一低一高电平。当A点输入为高电平时，经过反相器输出B点为低电平，此时，D点为低电平，C点输出为高电平，经过与非门再经过非门，F点输出低电平；随着D点电压的逐渐升高，当其电压大于2.5V时，F点便输出为高电平，这样把输入信号的高电平又变为一低一高电平。这样，就把原来一个周期的信号变为两个周期，实现二倍频。图3整形电路图第4页4、晶体振荡电路的设计：利用晶体振荡器产生的脉冲非常的准确，有利于很好的控制闸门电压的时间，用晶体振荡器产生振荡脉冲后，然后再用分频器进行分频。根据分频倍数以及需要的闸门时间可以确定晶体振荡器采用的晶振为32.768KHz，电路如图5所示。5、分频电路的设计：分频电路如图6所示图4二倍频电路图图5晶体振荡电路图第5页分频电路主要用于把晶振产生的频率分成适合作闸门时间的频率。因为采用的是在转盘上打6个小孔和二倍频电路，所以理论闸门时间必须为5s，即周期T=10s,则频率为0.1Hz。晶振产生的频率为32.768KHz，所以要进行327680倍的分频。32768为2的15次方，所以采用了四个16倍分频的74ls93，其中最后一个73ls93需要进行8分频，此外还需一个十分频的74ls90一起进行分频，这样便得到理想的方波信号来控制时序电路。6、时序控制电路的设计：在这部分设计中有应该分成三部分，第一部分为计数部分，第二部分为锁存部分，第三部分为清零部分，这三部分必须按照计数-锁存-清零这个顺序。理论上基本时序如图7所示。首先想到的就是要把闸门信号的低电平的那部分分成锁存和清零两部分，利用闸门信号二倍频率的信号经过反相器与闸门信号进行或运算，便会得到图6中的锁存信号，而把图6分频电路图图7理论时序控制图第6页二倍频率信号和闸门信号直接进行或运算就可以得到图6中的清零信号。在软件中没有找到或运算器件便利用或非器件与非器件联合在一起使用，其设计图如图8所示。7、计数译码显示部分电路的设计：该部分主要有三部分，即计数部分、译码驱动部分和显示部分。计数部分利用74ls160进行十进制计数，进位脉冲接到下一个计数器的输入。在闸门时间内进行计数，当计数结束，74ls160锁存信号变为低电平进行锁存，经过2.5s的锁存，清零信号变为低电平进行清零。每一个74ls160计数输出端再由CD5411进行显示译码，驱动共阴极数码管显示。电路如图9所示。图8时序控制电路图图9计数、译码显示电路图第7页四、性能的测试1、转速信息提取电路性能测试该部分电路主要由光电转换、整形电路和倍频电路三部分组成。其中光电转换部分不能够用multisim软件进行仿真，我们利用信号源产生的正弦波代替由光电转换过来的脉冲，我们对整形电路测试，可得测试结果如图10所示。经过整形后，我们对二倍频电路的性能进行测试，达到了目标要求。其测试结果如图11所示。2、时间基准脉冲部分的设计：图10整形测试结果图图11二倍频测试结果图第8页在时间基准脉冲这部分主要有对晶体振荡器输出频率的测试、分频器的作用测试和时序电路控制的测试。其中晶体振荡器输出测试结果如图12所示。从图12中我们可以看出一个脉冲信号的周期约为30.524us，我们求其倒数可得到其信号频率约为32.768KHz。对分频电路测试如果我们测试其327680倍分频，现象会非常的不明显，我们可以对其中的一个芯片74ls93进行测试，即16倍分频。得16分频结果如图13所示。图12晶振输出测试结果图图13分频测试结果图第9页接下来便是对时序控制进行测试，显示的成功与否完全靠该时序控制电路，我们观察该电路的两路输入信号和输出的锁存与清零信号，其结果如图14所示。其中下面两条曲线分别代表着锁存信号和清零信号，达到了预期要求的目标，能够准确的控制脉冲的计数和对数值的显示。五、结论本次电机转速测量系统的设计基本上完成了设计的要求，其中光电转换以及在晶体振荡频率的控制需要改进。其他各个部分都已经达到设计的要求，能够准确的进行整形、分频、时序控制、译码输出等。其测量相对误差1%，达到预期要求，是一个很成功的电路设计。在本次课程设计中有几项是很关键的：倍频电路的设计，这一项可以对电机转速测量时间进行控制，倍频倍数大的话可以用很短的时间测出电机转速；分频电路的设计，这项主要用来控制闸门时间，有效的控制单位时间内通过的脉冲数从而进行准确的计数；时序控制电路，这项非常重要，在对脉冲计数时需要在闸门时间内正常计数、闸门时间后进行一段时间的锁存、锁存后需要一段时间进行清零、再进行计数。很好的时序电路就可以准确的控制计数器进行计数、译码、显示。六、性价比我所设计的这个电路，在器件的选择上都刻意的选择一些常用的器件，简单而且便宜,但是其功能并不逊色。其电路的原理很容易理解和掌握，便于使用者运用。而且运用的器件也比较少，这就使得该电路的成本非常的低廉。性能上该电路能够达到很高的要求，对转速的测量非常的精确，所以说该电路性能非常优越。性能优越价格低廉，因此具有很高的性价比。七、课设体会及合理化建议图14时序控制结果图第10页通过本次综合课程设计的训练，使我对所学专业课的理论知识有了进一步的理解，本次课设中大部分属于数字电子电路知识，例如整形电路、倍频电路、分频电路、时序控制电路、计数电路以及译码显示电路。这些都帮我把数字电子电路知识又复习了一遍，如何用时序电路控制整个电路的运行，如何使用各种芯片这都使我加深了对知识的掌握。课设使我们体会到在做设计时需要考虑到很多方面，通过很多方案选出最佳方案才会设计出一个非常优秀的电路。在电路的仿真过程中也出现了一些问题，我想出现问题都实属正常，我坚持耐心的把每一小部分的设计有条理的整理，