电工电子技术课程设计-转速测量显示逻辑电路设计

电工电子课程设计—速测量显示逻辑电路设计

题目 ___转速测量显示电路___________________ 班级 ____09材成（2）班_____________________

学号______________________

姓名_____ ________________________

指导_____徐老师_________________________

时间_____2011-06-20_______________________

景德镇陶瓷学院

电工电子课程设计—转速测量显示逻辑电路设计

电工电子技术课程设计任务书

电工电子课程设计—转速测量显示逻辑电路设计

目录

1、总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2、光电传感转换电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3、遮断式光电测量方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

4、总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

5、总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

6、元件清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

7、参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

8、设计心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (19)

1、总体方案与原理说明

转速测量，在工韭控制领域和入们日常生活中经常遇到。例如，在工厂里。测量电机每分钟的、转速、自行车里程测速计、心率计以及汽车时速的测量等都属于这一范畴。转速测量的方法有：

?F/V转换

电子类转速测量仪表，由转速传感器和表头（显示器）组成。目前常用的转速传感器，大多输出脉冲信号，只要通过频率电流转换就能与电压电流输入型的指针表和数字表匹配，或直接送PLC;频率电流转换的方法有阻容积分法、电荷泵法和专用集成电路法，前两种方法在磁电转速表中也有运用。专用集成电路大都数是阻容积分法、电荷泵法的综合。目前常用的专用集成电路，有LM331、AD 654和VF32等,转换精度在0.1%以上；但在低频时，这种转换就无能为力。采用单片机或FPGA，做F/D和D/A转换，转换精度在0.5~0.05%之间，量程从0~2Hz 到0~20KHz，频率低于10Hz时反映时间也变长。关于F/V转换，请参考相应芯片介绍和应用资料，本文不做赘述。

?频率运算

在显示精度、可靠性、成本和使用灵活性上有一定要求时，就可直接采用脉冲频率运算型转速表。

频率运算方法，有定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）和同步计数计时法。

定时计数法（测频法）在测量上有±１的误差，低速时误差较大；定数计时法（测周法）也有±１个时间单位的误差，在高速时，误差也很大。

同步计数计时法综合了上述两种方法的优点，在整个测量范围都达到了很高的精度，万分之五以上的测量转速仪表基本都是这种方法。下面以XJP-10B为例，介绍定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）和同步计数计时法。

。早期的XJP-10B转速数字显示仪，采用CMOS数字集成电路。其原理可用如下三个框图表示：

框图一测频原理

框图一告诉我们，被测信号通过放大整形进入加法计数器；晶体振荡器的频率信号通过分频产生秒（或分钟）信号，在计数显示控制器中生成寄存脉冲和清零脉冲。寄存脉冲将加法计数器的BCD码送入寄存器，通过译码驱动，LED数码管显示一秒（或分钟）内的计数值，直到下一次寄存脉冲的到来；紧接着清零，进行下一轮计数、寄存（译码显示）；如此，不间断测频。如果我们考察一下这些信号的时序，不难发觉这种定时计数测量方法的缺陷是：被计数脉冲有多一或少一的误差。如果被测频率为10000Hz,多一或少一的误差，相对来讲只不过万分之一；如果被测频率为2Hz,多一或少一的误差，相对来讲就达到了百分之五十，不难看出频率越低，误差越大，而且还有一点，把一秒变成一分钟，误差就变小了。低频时，如不延长采样时间，要提高精度就要采用测周的方法，框图二正是说明这种方法。

框图二测周原理

将框图二与框图一进行比较，我们不难发觉：上述二者的差别在于晶体振荡器与被测信号的位置作了互换，象是代数上的分子分母的颠倒，也正是物理上的频率和周期互为倒数，细心的读者可以体会到，学科之间的内在联系无处不在。

测周的误差：与测频相似，是多一个或少一个晶体振荡器脉冲，也就是多一个或少一个时基脉冲，晶体振荡器脉冲频率准确度越高误差越小，晶体振荡器脉冲频率越高误差也越小，被测频率越高误差越大；因此测量高频时，对被测信号进行分频，确实是提高测周精度的好方法。在周期过长时，还可通过计数器，借助计时器来测量转速。下面的框图表示了计数器的工作原理。

框图三计数器原理

现在我们可以看出，XJP-10B转速数字显示仪，在CMOS数字集成电路的条件下，已是一款十分完备的转速测量工具，这台仪器的设计者是田同裕先生，与之同期的类似产品还有XJP-02A转速数字显示仪（设计者童敏杰先生，改进者姓名略）。

早期的XJP-10B转速数字显示仪，在今天看来有哪些不足呢？周期和频率都不能等同转速，频率与转速存在倍数关系，通过时基频率的分频（采样时间的倍乘），基本满足了大都数用户的需要，测周则需要用户自己换算成转速。在今天的电子技术条件下，解决这些问题用单片机或FPGA都比较方便。那么今天的设计者怎样设计新的XJP-10B转速数字显示仪呢？下面仍然以XJP-10B转速数字显示仪为例，介绍同步计数计时法。

同步计数计时法

同步计数计时法，是随着单片机的普及而得到普及运用。同步计数计时法是怎样综合前两种方法的优点的呢？我们还是用时序来分析。

定时计数时序

时序图一时序图二

时序图一：计时和计数脉冲不同步；时序图二：计时和计数脉冲同步。但不管计时和计数脉冲同步与否，都有多一少一的误差。同理，定数计时也有多一少一的误差。

当定时器与被测脉冲同步计数时，为避免被测脉冲计数多一少一的误差，将定时作延时调整，等待被测脉冲计数完整；与此同时，取时间基准脉冲计数值。这样脉冲计数N为零误差，时间基准脉冲计数T有多一少一的误差。当时间基准脉冲源（晶振）误差小于十万分之一时，误差源主要是时间基准脉冲计数多一少一引起。

同步计数计时时序图

频率f=N/T,假定定时为1秒，时间基准脉冲周期为100μS,T=10000+ΔT

f=N/(10000+ΔT),

误差Δf/f=[N/(10000+ΔT)-N/(10000+ΔT±1)]/[N/(10000+ΔT)]

=1-(10000+ΔT±1)/(10000+ΔT)

=±1/(10000+ΔT)

可见误差小于万分之一，随着晶振频率的提高误差减小。

当采用单片机进行计数和运算时，还有中断不及时引起的误差。关于误差的分析本文不再做深入探讨。

频率与转速的关系：

f=P*v/60

f表示频率，P表示每旋转一周产生的脉冲个数，v表示转速亦即每分钟旋转的转数。

T=1/f

新的XJP-10B转速数字显示仪，由于采用了单片机技术，和同步计数计时法，使得测频、测速、测周、计数变得精确，而且非常简单；只要轻触仪表面板控制键，就能在4种功能间切换。由于系数可任意设置，使得仪表与传感器配套，不受输出脉冲数的限制。并且该仪表还有扩展的RS232接口，能与配套的虚拟仪表动态显示频率、转速（速度）、和计数值。

2、光电传感转换电路

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛. 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化.早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上.在金属圆筒内有一个小的白炽

灯作为光源.这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形.

LED(发光二极管)最早出现在19世纪60年代,现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用.LED就是一种半导体元件,其电气性能与普通二极管相同,不同之处在于当给LED通电流时,它会发光.由于LED是固态的,所以它能延长传感器的使用寿命.因而使用LED的光电传感器能被做得更小,且比白炽灯传感器更可靠.不像白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝.另外,LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分.(激光二极管除外,它与普通LED的原理相同,但能产生几倍的光能,并能达到更远的检测距离).LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见的绿光,黄光,红光,蓝光,蓝绿光或白光.如图2-23-1.

光电管是利用外光电效应制成的光电元件,其外形和结构如图1所示,

半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内,当入射光照射在阴极上时,单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使自由电子的能量增加h.当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时,它就可以克服金属表面束缚而逸出,形成电子

发射.这种电子称为光电子,光电子逸出金属表面后的初始动能为(1/2)m. 式中,m为电子质量;为电子逸出的初速度.由上式可知,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此对每一种阴极材料,入射光都有一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率限时,不论光强多大,都不会产生光电子发射,此频率限称为"红限".相应的波长λK为式中,c为光速;A 为逸出功.光电管正常工作时,阳极电位高于阴极,如图2所示.在人射光频率大于"红限"的前提下,从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成空间电子流,称为光电流.此时若光强增大,轰击阴极的光子数增多,单位时间内发射的光电子数也就增多,光电流变大.在图2所示的电路中,电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成函数关系,从而实现光电转换.如图1-17所示：

3、遮断式光电测量方案

遮断式光电测量方案如图3 所示。

在遮光盘的同心圆上均匀分布若干个通光的孔或槽,槽形光电传感器固定在遮光盘工作的位置上,遮光盘转动一周,光敏元件感光次数与盘的开孔数目相等,因此产生相同数目的脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机定时/ 计数器计数,定时器T0 定时。定时器T0 完成100 次溢出中断的时间t 除以测得的脉冲数m , 经过单位换算, 就可以算得直流电机旋转的速度。

直流电机转速计算公式:

n = 60·m/ ( N1·t·N) (r/ min)

其中: n 为直流电机转速, N 为遮光盘上的通光孔或槽的个数, N1 为定时器T0 中断次数, m 为定时器T0 在规定时间内测得的脉冲数, t 为定时器T0定时溢出的时间。

采用光电、霍尔转速传感器得到的电脉冲信号,经过放大整形后,获得相同频率的方波信号,通过测量方波的频率f 或周期T , 测得转速的大小。测量电路的框图如图4 。

1)主门电路的控制端加有时基信号时,被测信号才容许通过主门电

路使计数电路工作。控制端无时基信号时,主门电路关闭,被测信

号不能进入计数电路,使计数电路停止工作。

2) 时基信号由振荡器和分频器产生。

3) 主控电路和延时复位电路有以下作用:

(1) 控制时基信号幅值频率;

(2) 在每次计数结束后,产生一定时间的延时,使计数器维持一定时间,便于显示;

(3) 每次显示时间结束后,产生复零脉冲,将计数器和分频器复位。

主控电路的工作原理如图5 所示。

1) 起始状态:控制双稳、闭锁双稳都处于左管截止,右管导通,Q1 为低, (约0V) Q2 也为低, 计数门关闭。

2) t1 时刻:秒脉冲输入到控制双稳态触发器,使控制双稳态触发器翻转, Q1 变成高电平( 约10V) ,计数门打开, 输入脉冲经计数门进入计数器计数。

3) t2 时刻:第二个秒脉冲信号使控制双稳再翻转,Q1 又回到低电平,它产生三个作用:

( 1) 使闭锁双稳态触发器翻转,Q2 变成高电平,使与门Y 关闭, 使以后的秒脉冲信号不能触发控制双稳;

(2) 关闭计数门,使计数器停止计数;

(3) 使寄存控制电路输出Q4 产生正跳变,打开寄存器把计数器结果送入寄存器,通过译码显示测量结果,Q2 还触发显示单稳使单稳输出Q3 从低电平跳变为高电平,经过单稳一段延时后到t3 时刻。

4) t3 时刻:Q3 变低, 从高到低产生跳变脉冲,推动复位控制电路Q5 使之输出有一个正变, 使计数器复位,同时使闭锁双稳复位,Q2 又变为低电平,使与门Y打开,控制双稳重新受秒脉冲控制。

4、总体电路原理相关说明.

根据设计任务和要求，要完成自动计数和显示过程，必须有一个正在转动的轴，通过一定的装置，如在轴上装一转盘，在转盘上开一个小孔，通过光电转换对管及其转换电路产生脉冲信号，如图3.48所示。

3.48光电传感转换电路

（1）晶体震荡电路

实现转速测量的另一个必备环节是时基电路，通常采用石英晶体振荡器来做成标准时基信号，要求频率准切，稳定。

（2）控制电路

利用所获的时基信号去触发控制电路，进而得到一定宽度的匣门信号，用它去控制主控门的开门时间即取样时间。在取样时间内，主控门允许被测光电信号通往计数器计数。控制电路的另一作用是在每次取样后，还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据。总之控制电路的任务就是打开主控门计数，关上主控门显示，然后清零，此过程不断重复。（3）转速测量显示控制电路

该控制电路可分两种：一种是显示一分钟的测量结果，电路需要寄存器寄存显示。另一种是显示计数过程，到时间后把累计值保持一段时间，而后再重复的计数显示。方案实现

（1）光电传感转换电路

可用光耦合器来实现。电路如图3—49所示

3.49 光耦合器实现光电转换电路

（2）晶体震荡电路

为了获得较稳定的时基信号，以控制主控门的开启时间，可采用石英晶体多谐振荡器来产生时基信号。电路如图3—50所示

图3.50 晶体振荡器电路

电路中所用石英晶体频率f0=1MHz,，RP1=RP2=1k欧，与非门选CD4011

（3）分频电路

课题要求时基脉冲的周期为1s，而振荡器产生的脉冲信号周期为10-6s，因此必须对振荡器信号进行分频。采用6级10分频计数器来完成，10进制计数器选用C180.

（4）控制电路

主要作用是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关系。用一片555定时器做成单稳态电路作为控制电路。电路如图3.51所示。

3.51 控制电路逻辑图

此外，在电路中还应设置开机清零功能，以便测试的数据更趋准确。定时时间（1~10s）可调，电路中，RP、R2、C1决定控制时间，其输出脉宽

=（RP+R）C1n3≈1.1（RP+R）C1

t

wo

取C1=47μF，当定时时间取1s时，则

RP+R=1/(1.1C1)=1/(1.1*47*10-6)Kg=19.3Kg

当定时时间取10s时，则

RP+R=10(1.1C1)=10/(1.1*47*10-6)Kg=193Kg

故取R=10kg，RP取470kg电位器。C2取0.01μF。

（5）主控门电路

主控门电路由与门及反相器构成，电路如图3.52所示。

图3.52 主控门电路

（6）计数器电路

由于测速范围1~9999r/min，故计数电路采用4块C180十进制加法计数器组成，再用两块C180组成计数电路，产生一个60s的控制信号，该信号触发控制电路工作。

（7）译码显示电路

采用4块CD4511BCD锁存/七段译码和4只共阴极数码管LDD580。

4. 安装调试

调试的原则仍是先局部后整机，在分别调好单元电路的基础上再联机通调。各单元电路调试方法如下：

（1）调试晶体振荡器电路，使输出频率等于设计值。

（2）检查分频器，用示泼器观察泼行，观察是否符合分频要求。

（3）检查计数、译码、显示部分。

（4）检查控制电路。

检查放大整形电路。可输入低于1V的正弦信号，用示泼器观察电路输出是否为方泼信号

5、总体电路原理图

6、元件清单

7、参考文献

1.《数字集成电子技术教程》李世雄，丁康源主编

2.《电子技术基础（数字部分）》康华光等编

3.《数字电子技术基础》阎石等

4.《数字电子技术基础简明教程》，清华大学电子学教研组

设计心得体会

经过一个星期的努力，终于完成了这篇课程设计，本次设计让我们体会到设计电路、调测电路过程中的苦和乐，设计是我们将来必须的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计以及对电路的改动直到最后的电路的成型，都对我所学到的只是得到了检验，在课程设计当中发现了自己对数字电路的知识掌握的不够牢靠，同时在设计的过程中，认识了不少以前都不认识的元器件，都要通过查资料或者其余的一些方法来解决，制作过程是考验一个人耐心的过程，不能丝毫的怠慢，急躁，马虎，对电路的从一开始的一无所知到现在略懂一二，虽然说不是懂很多，但也令人受益非浅，对于老师要我们用软件画图,一开始一点都不懂，我们都没学，没办法，只有从网上复制一些电路图，后来我们共同努力，图书馆及网上收集相关的资料，在终于对软件有了一些基本的了解，因为时间短暂，不是很熟练，但相信经过这周的努力实习，我们以后会对它有更深的理解；同时通过这周的实习，我们的收获有：

一、我们对转速的测量及其应用有了一定的了解。

二、对于电子电工这门课程，我们觉得坐而言不如立而行对于这些电路还是应该自己动手实际操作才能过真正了它的内涵及应用，更好的运用自己所学的知识创造财富。

三、不要一意孤行，坚持自己的意见，多汲取别人好的意见，来完善自己。

最后，我们想说的是“有志者，事竟成。”只要我们自己努力去做，敢于实践和创新，会发现自己的能力有更好的提高，同时也一定会让自己有更多的收获。