直流电机转速测量系统的设计

该课程设计是关于直流电动机转速的测量。转速是电动机极为重要的一个状态参数，一般是指电机转子的每分钟转数，通常用r/min表示。本次课程设计选用光电测速法，测量电路由光电转换电路，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、显示电路构成，电机转速的测量范围为600r/min~30000r/min，测量的相对误差1%，并用5位LED数码管显示出相应的电机转速。

本次课设需满足以下设计要求：

1根据技术指标，设计各部分电路并确定元器件参数；

2.用5位LED数码管显示出相应的电机转速；

3.画出电路原理图（元器件标准化，电路图要规范化）。

二、方案论证

本课程设计是设计电机转速测量系统，采用光电测速方案，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1所示：

在电动机转轴上安装一个圆盘，在圆盘上打6个均匀小孔。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与电机转速成正比。脉冲信号经过整形电路转变成方波，再用二倍频电路使整形后的信号频率变为原来的二倍。再由晶体振荡电路输出的信号经过215分频电路，产生1Hz的基准信号，再经过10分频，便可产生一个0.1Hz的基准信号，该基准信号用来控制闸门电路，把经过倍频的光电转换后的信号计数并显示出来

三、电路设计

1.光电转换电路

在该部分可以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。在电机的转轴上安装上已打好6个均匀小孔的圆盘，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。光电转换电路原理如图2所示：

图2  光电转换电路原理图

图中R1和R2为两个为350Ω限流电阻，LED持续发出的光被带孔圆盘间歇性阻断，变成间断的光信号，而光敏三极管将接收到的光信号转化成电信号，作用于之后的系统。

2. 整形电路

整形电路用555定时器构成施密特触发器，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10nF的滤波电容，当输入电压vi﹤1/3Vcc时，vo输出为高电平，当输入电压vi﹥2/3Vcc时，vo输出为低电平。整形电路接法及输出波形如图3和图4所示：

图3  用555 定时器接成的施密特触发器

图4  整形后输出波形图

3. 倍频电路

由施密特触发器输出的信号，首先输入到异或门U2A的1号端口。U2A的另一端口接地。当输入端输入一个高电平的信号时，U2A的3端口为高电平，电容C2开始充电。此时，U3A输入为低电平，输出高电平，U4A两端输入均为高电平，则U4A输出低电平。当C2两端电压达到U3A导通电压时，U3A导通，输出低电平，这时U4A输入为一高一低电平，输出高电平。这样便将输入的高电平变为一低一高电平。紧接着当输入信号为低电平时，C2开始放电，此时U3A输入为高电平，输出为低电平， U4A的两端口均为低电平，则U4A的3端口输出低电平。当电容C2电压低于U3A导通电压时，U3A实现翻转，输出高电平，这时U4A的两端输入为一低一高电平，U4A输出高电平，如此，便又将输入的低电平变为一低一高电平。从而通过电容C2的充放电，实现了将信号二倍频的目的。图5所示为二倍频电路图，图6为电容C2两端和U3A的输出波形，此倍频电路输入输出波形关系如图7所示。

图5  二倍频电路原理

图6  电容C2两端及U3A的输出波形

图7  二倍频电路输入输出波形关系

4. 晶体振荡电路

利用晶体振荡器产生的脉冲能够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。此晶振产生标准的矩形脉冲，其波形如图8示，晶振电路接法如图9。

图8  晶体振荡电路输出波形

图9  晶体振荡电路图

晶体阻抗特性如图10，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10  晶体阻抗特性曲线

5.分频电路

分频电路如图6所示：

图11  分频电路图

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

当测量电机转速时,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。所以应设计一个锁存和清零的时序控制电路，理论上基本时序如图12所示。

图12  理论时序控制图

把闸门信号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12中的锁存信号，而把二倍频率信号和闸门信号直接进行或运算就可以得到图12中的清零信号。时序控制电路接法如图13所示。

图13  时序控制电路图

7. 计数、译码、驱动、显示电路

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74LS48进行显示译码，驱动共阴极数码管显示。在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10毫安，所以应串联上400欧姆的电阻。电路如图14所示。

图14  计数、译码、驱动、显示电路图

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产生的正弦波代替光电转换电路输出的脉冲信号。测试用的信号源及示波器的接法如图15所示：

图15  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16所示：

图16  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17所示：

图17  倍频电路测试电路图

倍频电路的测试结果如图18所示，电路将输入信号频率扩展到了2倍，结果符合系统的要求。

图18  倍频电路测试输入输出波形图

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19所示：

图19  晶体振荡电路测试电路图

测试结果如图20所示：

图20  晶体振荡电路输出波形图

4.分频电路

如果我们测试分频电路的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，即测试16倍分频。电路接法如图21所示：

图21  分频电路测试电路图

测试结果如图22所示，一片74LS93能对信号进行16分频，结果符合要求。

图22  分频电路测试输入输出波形

5.时序控制电路

时序控制电路在整个电路中十分关键，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，测试电路接法如图23所示：

图23  时序控制电路测试电路图

所测结果如图24所示：

图24  时序控制电路测试波形图

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。

6. 计数、译码、驱动、显示电路

将计数信号接成10Hz方波，闸门信号接成0.1Hz的方波信号。这样，在闸门信号的高电平期间，能有50个计数信号被计数和显示。实现计数到50并锁存清零的功能。测试结果符合显示与锁存清零的要求。

五、结论

本次直流电机转速测量系统的设计基本上满足了设计要求，但也存在些许问题，如晶体振荡频率难以控制导致分频精度下降，倍频电路需要改进。其他各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。

六、性价比

本实验电路采用的是最基本的电子元器件并且都可以在市场上买到，而且都不算贵。本实验设计的电路原理简单，易于理解，操作方便，虽然电路的实验结果与理论计算值存在一定的偏差，应用本实验设计的电机转速测量系统还是很实用的。

七、课设体会及合理化建议

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，使我加深了对知识的掌握。以前我对Multisim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。

本次综合课设锻炼了我的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。希望学校可以尽可能多的给我们提供这样的实践练习机会，让我们锻炼自己的设计与思考的能力，提高我们的专业素养。

                          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]张义中.电子设计基础．[M]北京：高等教育出版社，2001年

[7]蒋浩，孙飘红.电机转速检测方法与误差分析.[M]北京：北京航空航天大学出版社,2003年

[8]阎石主编.数字电子技术.[M]北京：高等教育出版社，2006年

[9] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.[M]北京：电子工业出版社，2005年

[10]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  Protel总电路图

附录Ⅱ  Multisim总电路图

附录Ⅲ 元器件清单