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1、摘 要转速测量是伺服控制系统重要组成部分。迄今为止，测速可分为两大类：模拟电路测速和数字电路测速。微电子技术的发展，数字测速技术的进步，数字测速性能的提高，使数字测速受到人们的重视。随着微电子技术的发展、计算机技术的成熟，出现了以数字电子器件为核心的数字测速装置。这样的速度测量装置测量范围宽、工作方式灵活多变、适应面广，具有普通数字测速装置不可比拟的优越性。本文应用光电传感效应的原理，通过在转盘上钻洞形成转盘,两旁分别用一个光发射管和光接受器，实现光电信号的转换以及高低电平的变化，并且利用运放和施密特整形电路形成编码脉冲。利用变压器的减压，和镇流器的镇流，稳压管的稳压，使220伏的家用交流电变
2、成5伏的直流电，以适合芯片的电压。用74LS90实现计数器对编码脉冲进行计数，再用74LS175实现寄存器，接着通过CD4511对寄存器的数据进行译码，最后通过数码管演示出来，从而实现转速测量。此数字测速系统还实现了低数报警的功能，利用可重复单稳态的原理，当转机慢到一定值时，就会产生失落脉冲，并启动报警器，当转数达到一定数时报警器会自动关闭。还利用RS触发器和单稳态的原理对寄存器进行清零和保存。除此之外，利用D触发器的原理，用两个光电效应管，一个作为D触发器的脉冲，一个作为数据处于，用一个发光二极管对输出端进行判断其高低电平，从而判断转机的正反转。关键词： 码盘 转速测量 测量时间 编码脉冲
3、失落脉冲目 录1 设计任务42 方案选择22.1 方案选择一32.1 方案选择二43 数字测速系统电路的设计63.1 电路的总方案图73.2 电路实现测速的原理83.3 单元电路解说93.3.1 电源电路103.3.2 放大电路以及施密特整形电路113.3.3 控制电路123.3.4 报警电路133.3.5 波形产生电路143.3.6 计数以及寄存电路153.3.7 译码以及显示电路163.3.8 扩展电路174 电路的仿真、焊接、调试184.1 电路的仿真194.2 电路的焊接204.2.1 元件的布局214.2.2 电路走线安排224.3 电路的调试235 实验数据以及误差分析245.1
4、实验数据采集255.2 误差分析265.2.1 产生误差原因275.2.2 减少误差的措施286 课程设计的收获、体会和建议29致谢30参考文献34附录31元件清单32电路总图331 设计任务设计并制作测量电机转速的数字测速系统。设计指标：测量转速可达0到40rad/s；转速测量精度不得低于900/s；输出计数值由数码管显示；低速报警；（速度低于设定值时，启动蜂鸣器报警，速度升高至设定值以上时，自动关闭蜂鸣器）。扩展部分（可测定电机的正反转，发光二极管显示。）2 方案选择2.1 方案选择一扩展电路的方案选择:方案一：利用555定时器构成的可重复触发单稳态电路的时延性以测定转盘的正转与反转，其电
5、路图如图1所示。图1 555定时器构成的可重复触发单稳态触发器方案二：利用74LS175寄存器以测定转盘的正转与反转，其电路图如图2所示图2 74LS175寄存器测定转盘的正反向由于方案一的电路比较复杂，对于555构成的可重复单稳态电路的延时时间的确定比较困难，而且在仿真的时候发现电路的实现不稳定；而方案二的电路简单，在理论上有较强可行性，所以经比较方法二较简单可行，所以取方案二。2.2 方案选择二报警电路方案选择：方案一：由555定时器和三极管构成的报警电路如图3所示。其中555定时器构成多谐振荡器，振荡频率f0143（R12R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高
6、电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。图3 由555定时器和三极管构成的报警电路方案二：这是由555构成的可重复触发单稳态电路，如图4所示：图4 555定时器构成可重复触发单稳态触发器的报警器我们选用的是方案二的报警电路。方案一是一个多谐振荡电路，当第四端有电源输入，即输入为高电平时，电路就会对三极管下面的电容进行充放电，就会产生高低电平，就能驱动喇叭嗡鸣。当输入为低电平时喇叭就不会嗡鸣。利用这个特点，把输入端接到由数码管的下端。可以根据所需在适合的数码管下端接逻辑门来实现。这个电路的优点是可以设置低速和高速报警。但这个电路有一个弊端就是一旦确定低于或高于那个速度，所设定的速度值就固定了，不
7、能改动。而我们所选用的电路，用一个可调电位器可以根据所需随时改变报警的最高速度，简单方便。而且不需要用到逻辑门，节省费用。3 数字测速系统电路的设计3.1 电路的总方案图数字测速系统总方案图如图5所示，其中采集到的信号通过运算发达电路进行放大以及施密特电路整形。每次计数时用时基信号产生的闸门信号启动计数器对输入的脉冲信号计数，闸门信号结束即讲计数结果送入寄存器同时也对计数器进行清零，最后通过译码电路和显示器显示出所测速度来。信号采集放大、整形闸 门闸门控制信号计数器寄存器译码器显示电路报警电路图5 数字测速系统总方案图3.2 电路实现测速的原理首先，通过光电管把不同的光信号转换成不同的电信号，
8、由于带有间隙的转盘的转动，使得发射管发射到接收管的光线在不被遮挡与遮挡两个状态之间交替，从而控制接收管的通断，再由接收电路产生可区别的电信号，即是把信号区分为高低电平，并把接收电路接收到的信号输入斯密特电路以起到整形作用。电路图如图6所示：图6 信号采集电路然后，斯密特整形电路输出的信号作为时钟脉冲输入到74LS90十进制计数器之中，同时74LS90的清零信号由555定时器构成的多谐振荡电路控制，当多谐振荡电路为74LS90提供高电平时74LS90清零。当多谐振荡电路输出为低电平时，由斯密特整形电路输入到74LS90的脉冲使得74LS90计数，并在74LS90的输出端输出相应的8421编码的二
9、进制数。由于多谐振荡电路的每次经历的低电平时间可以通过多谐振荡电路上的可调电阻调节，所以可把低电平的时间调为1s，则74LS90在1s内所计的数就为转盘所转的个数，即为转盘旋转的速度。由于转盘上有十个间隙，所以测速精度为36s。计数电路如图7所示：图7 施密特整形电路接着，74LS90输出的二进制数输入到74LS175寄存器里，同时555定时器构成的多谐振荡电路也作为74LS175的时钟脉冲而控制二进制数的输入。当多谐振荡电路为74LS175提供上升沿的时候，74LS175输出的数值为74LS90当前输入到74LS175的二进制数，而与此同时555定时器多谐振荡电路为74LS90提供了高电平，
10、74LS90清零，并等待下一次低电平的到来再计数。而74LS175输出的数值将保持到下一个上升沿的到来。寄存电路如图8所示：图8 计数、寄存电路最后，74175输出的二进制数输入到CD4511中，CD4511把输入的8421编码的二进制数译成七段输出a、b、c、d、e、f、g，用以驱动数码管，以显示转盘的转速。译码显示电路如图9所示：图9 译码显示电路3.3 单元电路解说3.3.1 电源电路电源电路图如图10所示，图10 电源电路用一个变压器把220V的家用交流电压变为9V的小电压。利用二极管单向导通的原理，用四个二极管构成一个桥堆，对交流电进行半波整形，再经过一个电容对其整形，变成供这个近似
11、直流的电压，但由于还有许多纹波，再用一个W7805稳压管变成5V的直流电压，供此电路使用。3.3.2 放大电路以及施密特整形电路放大电路以及施密特整形电路如图11所示，图11 放大电路以及施密特整形电路由一个功放和两个电阻组成的同相比例放大电路，放大系数为1R2/R1。调节R1可调节它的放大系数。由于那光电二极管产生电流需一定时间，所以出现的波形并不是标准的矩形波，须经过一个施密特电路进行整形。利用555定时器构成的施密特触发器电路对电容的充放电和三极管的导通与截至使输出为高低电平，从而实现对波形的整形。如图12所示为施密特电路的传输特性，图13为555定时器构成的施密特触发器的波形图。24
12、图12 施密特电路的传输特性 图13 555定时器构成施密特触发器波形图3.3.3 控制电路控制电路如图14所示，图14 控制电路此报警电路由一个RS触发器和555定时器构成的单稳态触发器组成。其中RS触发器的输出端Q通过一个与门与上寄存器的脉冲信号形成按键封锁电路来控制寄存器的脉冲。也就是说当一开始的时候开关打在R端，此时Q输出低电平“0”，封锁寄存器的脉冲输入；而当开关打下S端的时候脉冲即可通过，让寄存器正常工作。单稳态触发器的原理图以及工作波形图分别如下图的图15、图16所示，图15 单稳态触发器原理图 图16 其工作波形当开关由R端打向S端的瞬间，由555定时器构成的单稳态触发器就会输
13、出脉宽为tW的脉冲，实现对寄存器的清零。3.3.4 报警电路报警电路图如图17所示，图17 报警电路图这是由555定时器构成的可重复触发单稳态电路，当输入负脉冲后，电路进入暂稳态，同时BJT导通，电容C放电。输入脉冲撤除后，电容C充电，再VC未充到2/3VCC之前，电路处于暂稳态。如果再此期间，又加入新的触发脉冲，BJT又导通，电容C再次放电，输出仍然维持在暂稳态。只有在触发脉冲撤除后且在输出脉宽T时间间隔内没有新的脉冲触发脉冲，电路才回到稳定状态。此输入脉冲由经过施密特整形后的脉冲提供，当脉宽宽度超过tw即转盘低于某个值时就会启动喇叭报警，当脉宽宽度小于tw即转盘转速高于一定值时会自动关闭喇
14、叭。twRCln3=1.1RC,可通过调节电位器R调节tw ，进而调节报警的最低转速。3.3.5 波形产生电路波形产生电路如图18所示，图18 波形产生电路这是由555构成的多谐振荡电路，利用D1,D2单向导通特性将电容C充电、放电回路分开，再加上可调电位器调节，构成了占空比可调节的多谐振荡器。图中VCC通过Ra、D1向电容C充电，充电时间为t1=0.7RAC电容器C通过D2、RB及555中的BJT放电，放电时间为t2=0.7RBC这脉冲是接到74LS90和74LS175的脉冲输入，74LS90为下升沿触发，74LS175为上降沿触发，当下降沿到来时74LS90开始计数，经过一个低电平到达一个
15、上升沿触发寄存器74LS175把计数器的数传到寄存器，再经过下面的译码器和数码管把数据显示出来。即低电平为计数的时间即调好t2=1s。从而实现1秒的计数。波形图如图19所示，图19 波形产生电路的波形图3.3.6 计数以及寄存电路计数、寄存电路如图20所示，图20 计数、寄存电路本测速系统的计数、寄存电路是由三个74LS90计数器和三个74LS175寄存器组合而成的。4LS90是一个二五十计数器，现把QA与CPB脉冲接在一起便构成了十进制译码器。QA、QB、QC、QD是按8421BCD码输出的，把它们连接到74LS175那里，当计数器来一个时钟脉冲的时候就计数一次。而寄存器74LS175是由四
16、个D触发器组成的，当有一个上升沿到来时就把计数器输出的数传到寄存器那里寄存，直到下一个上升沿到来。只要调节好脉冲的周期就可以测出一秒钟的转速。3.3.7 译码以及显示电路译码、显示电路如图21所示，图21 译码、显示电路此电路是由寄存器CD4511组成的，对74LS175输出的二进制进行译码。CD4511为BCD码七段译码器，经过数码管显示我们容易读出的十进制数。由于这是一个精确到小数点后1位的，整数部分显示两位数，所以要用到三组计数，寄存，译码，显示。3.3.8 扩展电路可识别电机正传、反转4 电路的仿真、焊接、调试4.1 电路的仿真对电路的仿真尤为重要，只有仿真成功的电路我们才能认为是正确
17、的电路我们用到的仿真软件有EWB和Multisim2001。犹如软件的缺欠，因为有些电路用EWB是仿真不了的，而用另一软件Multisim20001就可以，因此两个仿真软件结合来用，互补其不足。而两个软件又各有其特色的，EWB是严格按照元件接脚图来连接电路的，因此此软件接出来的图可以用来打印，作为原理说明图；Multisim20001仿真软件就不同，比如其中的芯片，它的元件管脚是按照接图简易原则来分布的，因此这种软件易于接图仿真。我们仿真的原则是“小块仿真，结合现实”。一个大型的电路图在一个软件是仿真运行不了的，因此我们就分开仿真，对每个单元电路进行单独的仿真，这样就避免了仿真软件所带来的缺陷
18、了。同时，我们又考虑到软件仿真是一个理想实现的过程，而在实际焊接出来的电路上是达不到这样的理想状态的，因此仿真时又要接近现实，要不，到时候实际上焊接出来的电路是实现不出想要的功能的。4.2 电路的焊接4.2.1 元件的布局元器件布局的原则是美观，我们遵循的布局原则有一下几点：1. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路成为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开；2. 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路；3. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。
19、定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm；4. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布；5. 其他元器件布置：所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向，出现两个方向时，两个方向互相垂直；6. 板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)；7. 贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过；8. 贴片单片对齐，字符方向一致，封装方向一致；9. 有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。4.2.2 电路走线安排1. 画定布线区域距PC
20、B板边1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线；2. 电源线尽可能的宽，不应低于18mil；信号线宽不应低于12mil；cpu入出线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil；3. 正常过孔不低于30mil；4. 注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。4.3 电路的调试由于没有示波器等调试电路的工具，我们就利用万能表测压发和发光二极管观察发对电路进行调试。电路的调试分为局部调试和总体调试。首先是对电路局部的调试，我们每焊接完一个单元电路都要对电路进行功能调试。调试的内容有：接线的导通情况、个接点电压大小、利用二极管对信号进行观察、功能实现情况等。当
21、总体电路焊接出来以后就要进行总体调试了，这就对电路是否实现实现原定的功能进行调试了，这一步是通过电路显示数据来分析解决的。5 实验数据以及误差分析5.1 实验数据采集此数字测速系统采用周期性计数，即每1秒计算电机的转动次数，因此我们采用函数信号发生器模拟计数感应管的输入脉冲，将函数信号发生器设为输出方波脉冲，频率范围在0HZ700HZ，然后看数码管的输出数据跟信号发生器的数据比较，以校准电路中由555定时器组成的多谐振荡电路的输出周期。数据如下表1所示：多谐振荡电路的实际充电电阻值多谐振荡电路充放电电容值函数信号发生器的输入频率数码管显示的数据多谐振荡电路的低电平输出周期多谐振荡电路实际测的放
22、电电阻值多谐振荡电路理论放电电阻值500022F50HZ25.10.5S31.1 KK32.47K500022F100HZ70.20.7S44.5 K45.45 K500022F200HZ16.10.8S51.1 K51.95 K500022F300HZ30.11S65.1 K64.93 K500022F400HZ44.11.1S72.0K71.42 K500022F500HZ60.01.2S78.9 K77.92 K500022F600HZ84.11.4S91.5 K90.91 K500022F700HZ70.01S64.8 K64.93 K表1 数据采集5.2 误差分析5.2.1 产生误差
23、原因由于转盘开十个光隙，即转盘每转一圈，功能电路就会产生十个输入脉冲，所以测转盘转速的精度为36s。在这一精度之下，测量的误差最大为36s。同时产生误差的另外一个原因是对波形产生器精度的调节。要测量转速，就是要测量每一妙转盘转动的圈数，因此只要在一秒内对采集到的信号进行计数输出就是所得的速度了。这样就要求波形产生器产生的波形要精确到一秒钟所得的速度才是准确的。还有一个就是元器件反应的灵敏度了，特别是计数器清零信号的脉宽长度，其脉宽长度越短，灵敏度就越高，所得的数据就越精确。5.2.2 减少误差的措施在我们的设计中，其测速原理是由555构成的多谐振荡电路为功能电路提供1s的时间基准，再由计数器测
24、量在这1s内转盘转过的度数，以计量转盘的速度。那么，要准确测量转盘的速度，1s的时间基准就必须要调试得很准确。我们可以通过调节555构成的多谐振荡电路上的电阻以确定1s的时间基准。虽然多谐振荡电路上电阻的阻值可以通过计算得到，但是实际上由于电路本身的元器件，结构，以及外界环境的影响，而导致实际所需的电阻阻值与计算出来的理论值不同。为了解决由于理论电阻值与实际所需电阻值的不同而带来的误差，我们可以利用信号发生器来调节电阻到所需值，以得到1s的时间基准。首先对功能电路输入信号发生器产生的信号，再观察信号发生器上显示的频率并与功能电路显示的数值比较，然后调节555多谐振荡电路上的电阻，使得信号发生器
25、上显示的频率与功能电路显示的数值相符，当这两个数值相符时，1s的时间基准就确定下来了。而通过这种方法就可以解决由于理论电阻值与实际所需电阻值不同所带来的误差。6 课程设计的收获、体会和建议6.1 实验收获:两周的课程设计已经结束了。经过我们小组的努力之后，我们终于完成了一个可以测电机转速的东西。这是我们第一次这么系统这么综合的做出一个实用的东西。把理论知识和动手能力结合起来，不仅提高了我们动手的能力，思考的精神，解决问题的能力，同时也提高了我们的理论知识。把知识系统化，综合化。也让我们感觉到团队精神的重要性。也为以后在社会上做事奠定了一定的基础。本次次数字测速系统的设计性实验，从电路的构思，到
26、电路的焊接，再到电路的调试，最后使得电路的各个部分的功能顺利实现是我们大家努力的成果。经过本次数字测速系统的设计性实验，使枯燥难懂的专业理论知识在这种乐趣无穷的实践中变得更容易理解,而得到了具体应用。纵然，这是我们首次运用我们在课堂上学到的知识来设计电路，在设计与实验的过程中我们遇到了很多困难和挑战，但是在这个实验的过程中我们得到很大的收获。首先，本次实验是对我们平时所学的知识的检验，通过这次实验我们要充分的利用所学的原理，以实现电路的各部分功能。只有牢靠地掌握电路的知识，通过对知识的综合性运用才能使电路的功能得以实现。其次，这是对我们所学知识的一次提升。书本上的理论在实际应用中有一定的指导作
27、用，但是实际上的问题必需要根据实际情况来解决。通过本次实验，我们学到了更多的电路知识，并且提高了我们解决实验故障的能力。最后，本次实验是一次充满乐趣的经历，使得我们对本学科的兴趣大大提高;本次实验是一次大家分工协作的过程，使得我们的组织性的到提高；本次实验是一次对能力的训练，使得我们累积了丰富的经验。 6.2 实验心得：通过这次数字测速系统的设计性实验，我们累积了一些实验心得。首先，在设计电路时，对设计原理要反复论证，在确认设计方案切实可行后方可采用。并且，在设计时要考虑到可能出现的问题，并为可能出现的问题拟定解决方案。其次，对电路分开各个部分进行焊接与调试。因为整个功能电路比较复杂，若整体调
28、试一旦出现问题，很难发现问题所在。如果分开各部分焊接调试，一旦出现问题就可以直接检查出问题的部分，这样能容易查出问题所在。最后，在焊接前要拟定布线方案。因为要接的线比较多，为了使电路的结构清晰明了，我们必须要合理布线。这样在电路出现问题的时候，就能比较容易检查电路。6.3 实验建议：在实验中，我们对某些器件参数进行查找，但是有的器件在不同的资料有不同参数，希望老师能提供有权威的软件和网址，以方便我们查找。参 考 文 献康华光.电子技术基础（数字部分）.第四版.华中理工大学.高等教育出版社.1998年.康华光.电子技术基础（模拟部分）.第四版.华中理工大学.高等教育出版社.1998年.翁飞兵，陈
29、棣湘.电子电路实践教程.第一版.国防科技大学出版社.2003年.9月.方大千，鲍俏伟.实用电子控制电路.第一版.北京.国防工业出版社. 2003年.4月.程乃平，江修富.声光信号处理及应用.第一版.北京.国防工业出版社.2004年8月.苏文平.新型电子电路实用实例精选.第一版.北京航空航天大学出版社.2000年.2月.http:/ 录元器件清单名称个数555574LS90374LS1754CD4511374LS08174LS04174LS321桥堆1W78051马达19012290132二极管2变压器1100K电位器320K电位器110K电位器11K电位器3200K电阻1100K电阻151K电阻120K电阻212K电阻12K电阻21K电阻3510欧电阻241000uf电容122uf电容11uf电容20.1uf电容30.01uf电容5发光二极管2光电接受管2转盘1万能板3开关4导线若干