电机转速测量

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

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

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。

图3 整形电路图

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。