直流电机转速测量系统的设计

一、概述

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，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1 电机转速测量系统原理框图

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v

i ﹤1/3Vcc时，v

o

输出

为高电平，当输入电压v

i ﹥2/3Vcc时，v

o

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。