1、精選文檔 光電測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和推斷正反方向班級(jí); 姓名：學(xué)號(hào)：一、飛輪的轉(zhuǎn)速和方向的測(cè)量原理1.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的測(cè)量是基于對(duì)單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)盤(pán)上鏡面產(chǎn)生的光脈沖的計(jì)數(shù)。其基本原理如圖1所示 圖1（轉(zhuǎn)速測(cè)量原理） 發(fā)光管發(fā)出的光束照射在轉(zhuǎn)盤(pán)上，當(dāng)固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上的反光材料經(jīng)過(guò)光束，產(chǎn)生的反射光脈沖被光電探測(cè)器接收，產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的一串電脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路和整形電路處理后送入計(jì)數(shù)電路，便可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)接收到的信號(hào)個(gè)數(shù)，即轉(zhuǎn)盤(pán)單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。示意圖如下所示（圖2）： 圖2（脈沖計(jì)數(shù)）1.2方向測(cè)量原理在飛輪轉(zhuǎn)速方向上設(shè)置兩個(gè)光電探測(cè)器，調(diào)試光路使之均能接收反射材

2、料的反射光，通過(guò)判別兩個(gè)探測(cè)器輸出電信號(hào)的初相位即可對(duì)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向作出推斷，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的正反方向用兩個(gè)不同顏色的LED來(lái)標(biāo)示。示意如圖3所示： 圖3（判向電路）理論上，只要推斷誰(shuí)“先到”，即可推斷轉(zhuǎn)向，若左探測(cè)器超前右探測(cè)器t，為左轉(zhuǎn)，反之，右轉(zhuǎn)。1.3數(shù)據(jù)顯示原理由計(jì)數(shù)電路計(jì)下飛輪速度，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)由鎖存器輸出，顯示器件用發(fā)光二極管數(shù)碼顯示管，鎖存器輸出的信號(hào)是一組二進(jìn)制數(shù)字符號(hào)，必需進(jìn)行譯碼顯示，接受74LS04集成譯碼顯示芯片。送到數(shù)碼管顯示電路顯示出來(lái)，使得每一計(jì)數(shù)脈沖下降沿一來(lái)都可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行更新，同時(shí)又可以鎖存前一脈沖所記錄的轉(zhuǎn)速。如圖4所示： 圖4（數(shù)據(jù)顯示原理圖） 綜合以上

3、的考慮，設(shè)計(jì)的飛輪轉(zhuǎn)速測(cè)量和方向推斷的設(shè)計(jì)整體圖如下所示： 圖5（飛輪轉(zhuǎn)速和方向測(cè)量光電測(cè)試系統(tǒng)）工作過(guò)程總體為：發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，由轉(zhuǎn)盤(pán)上的反光材料反射，并分別被光電探測(cè)器1和2所接收。探測(cè)器1和2進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，由放大器放大，送入整形電路，轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，分別進(jìn)行計(jì)數(shù)和方向判別。電機(jī)把握電路可分檔把握電機(jī)的轉(zhuǎn)速；秒脈沖電路產(chǎn)生周期為2秒的方波信號(hào)，供計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)；譯碼器和數(shù)碼管顯示電路，顯示轉(zhuǎn)動(dòng)速度（r/s轉(zhuǎn)每秒）2、 飛輪的轉(zhuǎn)速和方向的測(cè)量設(shè)計(jì)2.1光電發(fā)送接收部分 光電發(fā)送接收是測(cè)量系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換部分。 依據(jù)LED和光電三極管分別的形式，接受一個(gè)紅外LED和兩個(gè)光電三極管。 如圖6

4、所示，發(fā)光二極管發(fā)出紅外光經(jīng)反射材料反射被探測(cè)器1、2分別接收。 圖6（光電發(fā)送和接收系統(tǒng)） 反光材料的兩個(gè)反光面有肯定夾角，LED垂直入射，當(dāng)反光材料沿逆時(shí)針?lè)较颍ㄑ毓馐较蛴^看）經(jīng)過(guò)探測(cè)器時(shí)，LED先直射左葉，調(diào)整探測(cè)器1接收角度使反射光垂直入射，之后LED直射右葉，調(diào)整探測(cè)器2接收角度使反射光垂直入射。對(duì)不同距離的測(cè)量，可通過(guò)調(diào)整反光材料角度和探測(cè)器接收角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如增大探測(cè)距離，要調(diào)小反射材料與飛輪夾角，同時(shí)保證探測(cè)器與飛輪法線夾角是反射材料與飛輪夾角的2倍。 器件選擇: 紅外放射管 AlxGa1-x As 發(fā)光二極管（940nm） 紅外接收管 Si 光電三極管（940nm） 波段選擇

5、 近紅外940nm（優(yōu)缺點(diǎn)如前所述） 放射強(qiáng)度 肯定程度上，越強(qiáng)越好，不用考慮相應(yīng)的線性度，探測(cè)距離越遠(yuǎn)，需將強(qiáng)度調(diào)得更高。 這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于探測(cè)距離更長(zhǎng)。 2.2放大電路整形部分2.2.1光電二極管偏置與放大電路圖7 圖7（光電二極管偏置與放大電路）2.2.2整形電路 用兩個(gè)非門(mén)也可以直接實(shí)現(xiàn)整形的功能，數(shù)字芯片一般都有肯定的輸入門(mén)限電壓，高于門(mén)限輸出為高電平，低于門(mén)限則為低電平。使用這種方案可以使電路簡(jiǎn)潔，且效果很好。圖8 圖8（整形電路）2.2.3方向判別電路 方向判別原理如前所示，具體電路如圖9所示，Singal1 是左探測(cè)器輸出信號(hào)，Singal2是右探測(cè)器輸出信號(hào)，若在Singa

6、l2上升沿Singal1是高電平，管腳5為高電平，管腳6為低電平，LED1亮，LED2滅，說(shuō)明飛輪在左轉(zhuǎn)；相反，若在Singal2上升沿Singal1是低電平，管腳6為高電平，管腳5為低電平，LED2亮，LED1滅，說(shuō)明飛輪在左轉(zhuǎn)。 圖9（方向判別電路）2.2.4計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)電路由3片異步清零的模十74LS160計(jì)數(shù)器和3個(gè)4位寄存器組成 首先，3片74LS160通過(guò)時(shí)鐘端級(jí)聯(lián)組成模1000計(jì)數(shù)器，信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘接到第一級(jí)的時(shí)鐘端，使計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 同時(shí)，把秒脈沖接到3個(gè)計(jì)數(shù)器的使能端、清零端以及寄存器的時(shí)鐘端，把握計(jì)數(shù)器在脈沖高電平常計(jì)數(shù)，下降沿鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果，以便輸出顯示，低

7、電平常清零計(jì)數(shù)器，以便下一個(gè)秒脈沖重新開(kāi)頭計(jì)數(shù)。 3、 系統(tǒng)中的改進(jìn)建議 （1）改進(jìn)建議一： 可以改進(jìn)探測(cè)方法只用一個(gè)探測(cè)器推斷轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)方法有兩種：1、用兩個(gè)反射率不同的反射材料使探測(cè)器先后接受不同的光強(qiáng)信號(hào)，轉(zhuǎn)化為不同的電壓信號(hào)，然后將這兩個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)潔的ADC量化編碼，如01、11，輸入單片機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，依據(jù)兩信號(hào)的相位關(guān)系進(jìn)行判向處理。 2、可安裝3片不等間距的反射材料，用單片機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)推斷三個(gè)信號(hào)的相位關(guān)系和“間距長(zhǎng)短”，然后依據(jù)“長(zhǎng)間距”與“短間距”的“先后挨次”判向。 （2）改進(jìn)建議二：對(duì)于有輻條結(jié)構(gòu)或有類似鏤空結(jié)構(gòu)的飛輪，可不使用反射材料，直接利用輻條的周期性擋光來(lái)計(jì)數(shù) （3）改進(jìn)建議三：在實(shí)際中反光材料簡(jiǎn)潔受到外界環(huán)境的污染，其反光率和反光方向都有可能發(fā)生變