电机转速测量系统设计.doc

摘要：设计一个电机转速测量系统，该系统是由光电转换电路，整形电路，晶体振荡器电路，分频电路，倍频电路，时序控制电路和计数、译码、驱动、显示电路组成。电机转速的测量范围为6000r/min30000r/min, 测量的相对误差%。该电路通过整形电路输出方波，通过倍频电路将方波信号的频率扩展，再和分频电路出来的频率为1/6Hz的信号计数、译码显示、锁存、清零等功能。关键字：光电转化；分频；倍频；时序控制；计数一、概述该课程设计是关于直流电动机转速的测量。转速时电动机极为重要的一个状态参数，在很多运动系统的测控中，都需要对电机的转速进行测量，速度测量的精度直接影响系统的控制情况，他是关系测控效果的一个重要因素。不论是直流调速系统还是交流调速系统，只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。电机转速一般指电机转子的每分钟转数，通常用r/min表示，是各类旋转电机运行过程中的一个重要的量。本次课程设计就选用光电测速法，包括光电转换电路，整形电路，晶体振荡电路，分频电路，倍频电路，时序控制电路和计数、译码、驱动、显示电路组成，电机转速的测量范围为6000r/min30000r/min，并用5位LED数码管显示出相应的电机转速。二、方案论证目前测量转速的方式主要有两种。一种是将转速转化为模拟信号，对模拟信号进行测量。如基于线性霍尔传感器的测速发电机是将转速直接转换为电压信号，然后测量其电压。另一种是将转速信号转化为脉冲信号，然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量。方案一： 控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16位定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1ms，初始化时TH0=（-SYSCLK/1000）*8;TL0=-SYSCLK/1000。等待1s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1s内的转速值换算成1min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。原理方框图如图1所示：电机霍 尔 传感器脉冲信号 放 大C8051-F0607279LED图1 方案一原理框图方案二：此方案中包括光电转换电路，整形电路，闸门电路，晶体振荡电路，分频电路，倍频电路，控制电路和计数、译码、驱动、显示电路。原理方框图如图2所示：光电转换电路 整 形 电 路闸 门电 路计数、译码、驱动、显示 电路输入信号晶体 振 荡 器电路 分 频 电 路 控 制 电 路图2 方案二原理框图在电动机轴上直接安装一个圆盘，在圆盘上开5个均匀的小孔，当电动机旋转时光源通过小孔投射到光敏三极管上，就产生了一序列的脉冲信号，光敏三 极管产生的脉冲信号频率正比于电机转速。经过整形电路将输入信号变成方波，再用四倍频电路使整形后的信号频率变为原来的四倍。晶体振荡电路输出的波形经过216分频电路，使之产生0.5Hz的基准信号，再经过3分频，产生一个1/6Hz的基准信号，把经过倍频的光电转换后的信号计数并显示出来。比较：方案一的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。方案二的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好，而且精度高。所以综合考虑选择方案二。三、电路设计 1、 光电转换电路光电转速传感器原理示意图如图3所示:在被测电机轴上安装一测试盘，圆盘上有15个均匀圆孔。当光束通过小孔时，投射到光敏三极管上产生电信号，当光束被无空部分遮住时，光敏三极管无信号。光敏三极管产生的脉冲信号频率正比于电机转速n。R1和R2为两个为1K的限流电阻，LED1持续发光，光线通过带有圆孔的挡板，变成间断的光信号。光敏三极将接收到的光信号转化成电信号，作用于以后的系统。图3 光电转换电路原理图2、 整形电路整形电路用的是555定时器构成的施密特触发器，利用施密特触发器，将输入的信号进行整形，输出为方波。2和6管脚连在一起接输入信号，从3管脚输出，输入信号与输出信号反相，在5管脚接入0.01F的滤波电容，接法及波形如图4，图5所示：vIvo图4 用555 定时器接成的施密特触发器vo 图5 整形后输出波形图555定时器的电压输出特性如下，特性原理图如图6所示：a. 输入电压vI =0V时，输出电压vo输出高电平。b. 当vI上升到时，vo输出低电平。当vI由继续上升，vo保持不变。c. 当vI下降到时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。图6 用555 定时器接成的施密特触发器电压输出特性原理图3、倍频电路四倍频电路原理相当于两个二倍频级联，当A点输入为高电平时，从U28输出为低电平，D点输出为高电平，C5充电，同时C4放电，随着C点电压的逐渐升高，当其电压大于2.8V时，D点输出为低电平；当A点输入为低电平时，从U28输出为高电平， C4充电，D点输出为高电平，同时C5放电，随着B点电压的逐渐升高，当其电压大于2.8V时，D点输出为低电平。整个过程实现了二倍频，同理实现四倍频。四倍频电路的接法及其中一个二倍频原理如图7、8所示：ECDAB图7 四倍频电路DABC图8 四倍频中一个二倍频电路输入输出波形关系4、晶体振荡电路晶体振荡电路广泛应用于产生基准时钟信号。此晶体振荡电路产生一个如图9所示的频率为32.768KHz的矩形脉冲，电路的接法如图10所示：输出信号v图9 晶体振荡电路输出波形 图10 晶体振荡电路图晶体振荡原理如图11所示，在晶体振子板极上施加交变电压，使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率fo时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大，输出频率为fo的振荡信号。图11 晶体振荡原理图5、分频电路该分频电路分为两个部分。第一部分是由四个74LS93组成，一个芯片将把输入频率变为原来的1/24，四个芯片将把输入频率变为原来的1/216，电路图如图12所示： 图12 216分频电路图第二个部分由74LS161组成一个3分频电路，先预置数为0000，当记到0011的时候，清零并把信号输出，此时频率变为原来的的1/3，电路图如图13所示：输出信号输入信号图13 三分频电路图6、时序控制电路由于电机转动很快，我们很难看清电机的转速，当测量其转速时,需要让计数器计的值保持一段时间不变，即锁存其数值，然后再清零。所以设计了一个锁存和清零的时序控制电路，从F点出来的低电平脉冲控制清零，从G点出来的低电平脉冲控制锁存，时序控制电路及其波形如图14、15所示：1/3Hz方波U11/6Hz方波U2GF 图14 时序控制电路1/3Hz方波U1F点低电平清零G点低电平锁存1/6Hz方波U2图15 时序控制电路波形7、计数、译码、驱动、显示电路计数用五片74LS160，使其EP和ET都恒为高电平，都工作在计数状态。电路图如图15所示。第一片的CP接到闸门电路的输出端，进行计数。由于计数器74lLS160是十进位的计数器，将第一片的CO输出经反向器后，接到第二片的CP端。这样，当第一片计到9（1001）时，CO端输出变为高电平。经反向器使第二片的CP端为低电平。下个计数输入脉冲到达后，第一片计成0（0000）状态，CO端跳回低电平，经反向后，使第二片的输入产生一个正跳变，于是，第二片计成1（0001）依次串行进位方式，连接五片。表1 74LS160的工作原理C PCLRLOADENTENP工作状态0置零10预置数1110 保持110保持（C=0）1111计数只有ENP和ENT同时为高电平时计数器才开始正常计数，而在两者之中，只有一个为高点平时，可以实现计数保持的功能。再通过74LS48译码并通过数码管显示。再74LS48接数码管时，由于74LS48的输出电压为5V左右，而数码管的工作电压在1V左右，并且数码管的工作电流在10mA，根据公式（5V-1.5V）/10mA=350，所以应接上350的上拉电阻。图16 计数译码显示电路四、性能的测试1、整形电路由于Multisim里无法实现光电转换，所以在测试时用信号发生器代替。测试用的信号源及示波器的接法如图17所示：图17 整形电路测试电路图由信号源产生的正弦波通过由555定时器接成的整形电路，变为了同频率的方波，符合电路的要求。其输入及输出的波形关系如图18所示：=图18 输入与输出波形2、倍频电路用信号源代替由施密特触发器输出的信号，系统输入为方波。经过倍频电路以后，用示波器观测输出波形并与输入进行比较。测试电路的接法如图19所示：图19倍频电路测试电路图倍频电路的测试结果如图20所示，电路将输入信号频率扩展到了4倍，结果符合系统的要求。图20 倍频电路测试输出波形图3、晶体振荡电路由于晶体振荡电路部分的带载能力差，用555定时器将晶体振荡电路与后面的负载电路隔离开，其电路接法与测试方法如图21所示：图21 晶体振荡电路测试电路测试结果如图22所示：图22 晶体振荡电路输出波形图4、分频电路图分频电路的电路接法如图23所示：图23 分频电路图测试图测试结果如图24所示，一片74LS93能对信号进行16分频，结果符合要求。图24分频电路图测试输出波形5、计数、译码、驱动、显示电路将计数信号接成20kHz方波，控制信号接成1kHz的方波信号。这样，在控制信号的高电平期间，能有10个计数信号被计数和显示。实现计数到10清零的功能。测试结果符合显示与清零的要求。五、结论、性价比实验结果符合设计要求，并且能稳定的运行。实验电路中用到的电路元器件比较普遍，易购买，而且价格相对便宜。六、课设体会及合理化建议在这近三周的课程设计里我学到会很多，由于数字电子技术基础等专业课已经是两年前所修的课了，所以相关的内容已经记的不是很清楚了，通过这次课程设计使我巩固了我的专业课。同时通过这次课设，我真的做到了理论联系实际，把以前不会的、模糊的地方弄明白了，自己的动手能力也有了提高。这段时间我查阅了很多关于电机转速电路的资料，并通过各种方式，如上网，翻阅相关书籍，询问老师等等，这对我以后的工作很有帮助。以前我对Mnltisim软件的应用不是很熟练，通过这次课设，我对Multisim有了更多的了解，为我以后的工作打下了坚实的基础。我在这三周中所学到的东西确实很多。在做课设的过程中，不可避免的问题就是错误。但经过老师、同学的帮助，在进行改过后，仿真电路终于可以正常的运行。在这本次课设过程中我锻炼了自学能力并培养了坚持的信念，而这些恰恰是我日后工作所需要的。在这次课程设计的过程中我也看到了自己的不足，如对知识的掌握还是不够牢固，有很多东西现在不能熟练的掌握，希望通过本次课设消除了我的这些不足之处。希望学校可以尽量多的给我们提供这样的实践练习机会。参考文献1荆西京主编.模拟电子电路实验技术.M西安：第四军医大学出版社，2004年2赵淑范.王宪伟主编.电子技术实验与课程设计.M北京:清华大学出版社，2006年3路勇主编.电子电路实验及仿真.M北京：清华大学出版社、北方交通大学出版社，2006年1月4陆坤等编.电子设计技术.M成都：电子科技大学出本社，1997年7月5王建校等编.电子系统设计与实践.M北京：高等教育出版社，2008年5月6高书莉主编. 数字系统设计-数字电路课程设计指南M:北京邮电出版社，2010年7月附录I：总电路图附录II：仿真图附录III：元器件清单序号编号名称型号数量1R1、R2电阻40022R4电阻1k13R3电阻12k14R5、R6电阻20k25R7、 R8电阻90026R9-R43上拉电阻350357C1电容0.01uF18C2电容10pF19C3电容100nF110C4、C5电容400pF211C