word文檔可自由復(fù)制編輯畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計word文檔可自由復(fù)制編輯電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計摘要：電機是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，而電機轉(zhuǎn)速是衡量動力系統(tǒng)正常工作的重要的性能指標(biāo)，因而需要測量電機轉(zhuǎn)速，使它滿足人們的各種需求。在本設(shè)計中多次采用施密特觸發(fā)器，成為電路的主控芯片，控制著信號的定時和鎖純。用三片CD40110BE級聯(lián)實現(xiàn)電路的計數(shù)、譯碼、數(shù)碼管的驅(qū)動等功能，通過對光電耦合器產(chǎn)生的脈沖數(shù)進行統(tǒng)計，并把所得到的計數(shù)脈沖轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速值，利用施密特觸發(fā)器完成數(shù)器的清零和鎖純，計數(shù)器計數(shù)譯碼后將信號輸送到數(shù)碼管，動態(tài)的顯示脈沖數(shù)目，最后根據(jù)脈沖數(shù)目計算電機的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計采用的電子元器件簡單普遍，線路連接簡單，安裝調(diào)試容易，測量結(jié)果精確，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：光電耦合器；施密特觸發(fā)器；計數(shù)器；數(shù)碼顯示。DesignofmotorspeedmeasurementsystemAbstract:Themotoristhemainequipmentofpowersystem,andthemotorspeedisanimportantperformanceindextomeasurethepowersystemnormaloperation,thereforeneedtospeedmeasuringmotor,makeitmeettheneedsofpeople.TheSchmidttriggermultipletimesinthedesignofmaincircuit,acontrolsignaltimingandlockthekeypartofpure.Circuitrealizationofcounting,decoding,digitaltubedriverfunctionswiththreesliceCD40110BEcascade,statisticsthroughthepulsenumberonthephotoelectriccoupler,andcountthepulsestothemotorspeedvalue,completenumberisclearandpureuselockSchmidtflip-flop,counterafterdecodingthesignaltransmittedtothethedigitaltubedynamicdisplay,pulsenumber,pulsenumberaccordingtothecalculatedmotorspeed.Electroniccomponentsusedinthisdesignsimpleandcommon,simplecircuit,easyinstallation,accuratemeasurementresult,andhashigherpracticalvalue.Keywords:photoelectriccoupler；Schmidttrigger；timer；counter；digitaldisplay.目錄19218第一章緒論 5129681.1課題研究的目的和意義 5158431.2

轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究

5139951.3電機轉(zhuǎn)速的測量方法 670661.3.1測頻法“M法” 6253161.3.2測周期法“T法” 7161131.3.3

測頻測周法“M/T法” 86269第二章

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案 10308362.1設(shè)計任務(wù)

10127182.2設(shè)計思路 10240172.3原理框圖 10267212.4設(shè)計的意義

106268第三章

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 11252773.1

主控芯片的選擇

11221283.2

硬件電路的實現(xiàn)

1175213.2.1電源電路 11220503.2.2電機轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路

12266413.2.3計數(shù)電路 1538063.2.4控制電路 1743803.2.5顯示電路設(shè)計 2016670第四章電路的焊接與調(diào)試 22319574.1電路連接過程的注意事項 22221814.2電路的調(diào)試 2345514.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的誤差分析 2530816第五章總結(jié)與展望 26265065.1總結(jié) 26123785.2展望 2621874致謝 2724646參考文獻 2810082附錄：電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理圖 29第一章緒論1.1課題研究的目的和意義電機是將電能從最初的能源形式轉(zhuǎn)換過來的重要橋梁，又是再將大部分電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，電機在電力工業(yè)、工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、國防、科學(xué)文化及日常生活等方面都是十分重要的設(shè)備，在電力工業(yè)中，將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機以及將電網(wǎng)電壓升高或降低的變壓器，都是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。在工礦企業(yè)中，各種機床電機、軋鋼機、壓縮機、起重機、風(fēng)機，交通運輸中的汽車電器、電力機車、磁懸浮列車、城市軌道列車，農(nóng)業(yè)中的電力排蘸、農(nóng)產(chǎn)品加工，日常生活中汽車、辦公設(shè)備、電冰箱、空調(diào)、洗衣機，航海和航空領(lǐng)域中的航船推進電源、航空電機，還有國防、文教、醫(yī)療等領(lǐng)域都需要不同特性的電機來驅(qū)動和控制。隨著工業(yè)企業(yè)電氣化、自動化、電腦化的發(fā)展，還需要眾多的精密控制電機，作為整個自動控制系統(tǒng)中的重要元件。轉(zhuǎn)速是衡量能源設(shè)備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量,對于所有旋轉(zhuǎn)機械而言，都需要及時的監(jiān)測其主軸的轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速測量儀能準(zhǔn)確的反應(yīng)電機的工作狀況，直觀的顯示動力系統(tǒng)在各個狀態(tài)下的工作情況，讓工作人員能隨時了解機器的工作情況，使之保持最佳狀態(tài)。1.2

轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究

電機是工業(yè)生產(chǎn)的直接動力，電機是利用電磁感應(yīng)原理工作的機械，隨著生產(chǎn)的發(fā)展而不斷發(fā)展，電機測速儀作為生產(chǎn)設(shè)備的一部分，也隨電機技術(shù)的發(fā)展不斷改進。轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，許多動力機械的特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。

轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測量儀表,如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機轉(zhuǎn)速表及鐘表式定時轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落.而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往可能成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟發(fā)展中。1.3電機轉(zhuǎn)速的測量方法電機轉(zhuǎn)動的速度稱為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通常用單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速表示，單位常為轉(zhuǎn)/分或

r/min。每秒鐘的轉(zhuǎn)速也稱為轉(zhuǎn)動頻率，它是轉(zhuǎn)動周期的倒數(shù)。轉(zhuǎn)速的電測法很多，下面就簡單的介紹幾種：1.3.1測頻法“M法”在一定測量時間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖1-1“M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為Xτ，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示：(1-1)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)Xτ如下式所示：(1-2)圖1-1“M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將（1-2）式代入（1-1中）可得轉(zhuǎn)速n的表達式為：（1-3）P-為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；

n-轉(zhuǎn)速：單位（轉(zhuǎn)/分）；T-定時時間：單位（秒）。在該方法中，由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度，T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定的情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。1.3.2測周期法“T法”轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的1/N，N為碼盤孔數(shù)。如圖1-2“T”法脈寬測量所示。由定時器測得,在內(nèi)計數(shù)值若為，則計算公式為：(1-4)即：(1-5)-基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率：單位（Hz）；

-轉(zhuǎn)速:單位（轉(zhuǎn)/分）；

-時基脈沖。圖1-2“T”法脈寬測量由

“T”法脈寬測量可知“T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差存在。1.3.3

測頻測周法“M/T法”所謂測頻測周法，即是綜合了“T”法和“M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖3“M/T”法定時/計數(shù)測量所示。“M/T”法采用三個定時/計數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時時間進行定時和計數(shù)，反映轉(zhuǎn)角，反映測速的準(zhǔn)確時間，通過計算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即等于個脈沖周期。由圖1-3可見，從a點開始，計數(shù)器對和計數(shù)，到達預(yù)定的測速時間b點時，單片機發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為不一定正好等于整數(shù)個脈沖的周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達c點時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計數(shù)器停止，這樣，就代表了個脈沖周期的時間。“M/T”法綜合了“T”和“M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下：

設(shè)高頻脈沖的頻率為，每轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器發(fā)出P個脈沖，由式（1-2）和（1-5）可得M/T法轉(zhuǎn)速計算公式為：（1-6）n-轉(zhuǎn)速值：單位（轉(zhuǎn)/分）；

-晶體震蕩頻率：單位（Hz）；

-輸入脈沖數(shù)；

-時基脈沖數(shù)。圖1-3

“M/T”法定時/計數(shù)測量通過上面的分析可知，M法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。M/T這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間T，或提高時基脈沖頻率。因此，在實際操作時往往采用一種稱變M/T的測量方法，所謂變M/T法，是在M/T法的基礎(chǔ)上，讓測量時間始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間,兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度。基于M法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計中采用M法進行測量。第二章

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案2.1設(shè)計任務(wù)

根據(jù)已學(xué)過的知識，設(shè)計測量電機轉(zhuǎn)速的電路，繪制電路原理圖，要求設(shè)計電路能夠可靠的工作且滿足要求，選取合適的集成芯片，盡量簡化電路，做到電路板的經(jīng)濟最小化

，焊接元器件并完成電路的調(diào)試。2.2設(shè)計思路本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要由電機、光電傳感器、定時電路、計數(shù)電路、顯示部分組成。電機測速原理是將信號采集與被測物體的轉(zhuǎn)動相關(guān)聯(lián)，由原理圖可知，信號采集部分是由電動機、遮光板、和光電耦合器組成。光電耦合器直接輸出高低電平，隨著轉(zhuǎn)盤的不斷轉(zhuǎn)動，就不斷產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)脈沖整形后送入計數(shù)器，轉(zhuǎn)化為計數(shù)脈沖，脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)動速度成正比，根據(jù)單位時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，就可獲得被測電機轉(zhuǎn)速。2.3原理框圖一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖2-1所示：電動機光電耦合器計數(shù)器數(shù)碼顯示器電動機光電耦合器計數(shù)器數(shù)碼顯示器延時復(fù)位多諧振蕩器 延時復(fù)位多諧振蕩器圖2-1

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖2.4設(shè)計的意義

畢業(yè)設(shè)計(論文)是學(xué)生畢業(yè)前最后一個重要的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，是學(xué)習(xí)深化與升華的重要過程。它既是學(xué)生學(xué)習(xí)、研究與實踐成果的全面總結(jié)，又是對學(xué)生素質(zhì)與能力的一次全面檢驗。同時又能了解電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，學(xué)會對一個項目獨立的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高同學(xué)綜合運用知識的能力。為今后從事生產(chǎn)和科研打下良好的基礎(chǔ)，更好地適應(yīng)社會，是非常重要的一個階段。第三章

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1

主控芯片的選擇

高精度電機轉(zhuǎn)速儀系統(tǒng)設(shè)計是以主控芯片元件為核心，擴展一些外部電路和外圍設(shè)備，組成電機測速系統(tǒng)，主要用于電機測速等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。

在系統(tǒng)設(shè)計總體方案的確定中，首先是確定所選擇的主控芯片，因為主控芯片是整個設(shè)計的核心，所有的外圍電路設(shè)備都是以主控芯片為中心，是選擇其他硬件電路的基礎(chǔ)，按照本設(shè)計系統(tǒng)的要求，不采用單片機系統(tǒng)，由于在模數(shù)邏輯電路的設(shè)計中，首先是采集信號，再加上專門的計數(shù)、譯碼和鎖存電路。這樣設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。本次設(shè)計采用了高集成度芯片CD40110和CD40106做為主控芯片，使電路設(shè)計簡單，并且能夠大大提高可靠性。3.2

硬件電路的實現(xiàn)

本測速系統(tǒng)主要由電源電路、脈沖產(chǎn)生及整形電路、脈沖計數(shù)電路、控制電路及顯示部分組成。3.2.1電源電路在電子電路中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，根據(jù)設(shè)計電路參數(shù)的要求，本次設(shè)計需要正負5V直流電源供電，但考慮到在畢業(yè)設(shè)計的過程中用直流干電池比較方便，所以選用3節(jié)5號干電池代替5v電壓源。雖然3節(jié)5號干電池的電壓只有4.5v，但是電路各部分仍能正常工作過，這給電路的調(diào)試帶來了很大的方便。如下所示，圖3-1是電機調(diào)速部分電源電路。圖3-1電機調(diào)速部分電路在電源正負極之間加一濾波電容，可以將輸入電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。給直流電機串聯(lián)一三極管，并和可變電阻W10K、固定電阻R24并聯(lián)就可以對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。可變電阻主要是改變電機兩端的電壓，三極管主要是對電流進行放大，驅(qū)動直流電動機。本設(shè)計采用S8050PNP小功率三極管，其引腳圖見圖3-2。圖3-2S8050引腳圖3.2.2電機轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路

電機轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路包括傳感器脈沖采集電路和脈沖整形放大電路。（1）光電傳感器的脈沖采集電路在電動機的測速系統(tǒng)中，在電機的轉(zhuǎn)軸上安裝測光電傳感器或光電編碼盤等測速裝置，利用電機中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的脈沖來反映它的轉(zhuǎn)速。通常所用的傳感器有霍爾傳感器和光電式傳感器。霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈敏度高以及傳送過程無抖動現(xiàn)象，頻率響應(yīng)寬、壽命長等特性。但霍爾傳感器存在一定程度的磁不敏感區(qū)，會降低電機轉(zhuǎn)速測量的可靠性，增大測量誤差，且對安裝位置要求精確，因此安裝調(diào)試比較復(fù)雜，并且用于產(chǎn)品開發(fā)時，會間接增加開發(fā)成本。而光電式傳感器是利用光電元件，使用遮光板對信號進行阻斷，產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速位置的脈沖信號。其檢測分辨率高、性能穩(wěn)定，適用于檢測各種設(shè)備轉(zhuǎn)速，因此本設(shè)計采用光電式傳感器。

本設(shè)計采用透射式光電傳感器來采集電機轉(zhuǎn)速的信號。相對于傳統(tǒng)的方法而言，該方法將成本低，其性能穩(wěn)定，器件體積小，適用于進行各種電機測速。如圖3-3所示，分別為ITR-9608紅外光電傳感器和遮光板。圖3-3ITR-9608光電傳感器和遮光板如圖3-3所示，遮光板的中心點位置用來固定在電機轉(zhuǎn)軸上。傳感器固定在支架上，使遮光板放置在槽式傳感器的槽中間（發(fā)光二極管與光敏電阻之間）。如下圖所示電路是光電傳感電路及脈沖產(chǎn)生電路轉(zhuǎn)換電路。槽式電傳感器由+5V電源供電使光電二極管持續(xù)發(fā)光，當(dāng)槽中無遮蔽擋物時，光敏三極管感光導(dǎo)通，輸入到運放為0V，有遮擋物時光敏三極管斷截止，輸出端out為+5V。信號盤隨電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，信號盤的缺齒經(jīng)過探頭時，光透過缺口產(chǎn)生感應(yīng)。傳感器就輸出1個脈沖信號，但是由于光電晶體管導(dǎo)通與關(guān)斷時，有相應(yīng)的時間延遲，致使傳感器直接產(chǎn)生的脈沖信號，并沒有嚴格的上升沿與下降沿，這對脈沖信號的采集極為不便，因此由傳感器產(chǎn)生的脈沖信號還需要一定的整形與放大，這樣才能有嚴格的上升沿與下降沿，便于電機轉(zhuǎn)速脈沖信號的采集，電機轉(zhuǎn)速脈沖信號輸出如圖3-4所示。圖3-4信號采集及脈沖整形在實際電機工作狀態(tài)中，會受到各方面的干擾，波形會存在許多雜波成分，需要對波形進行處理，處理成方便計數(shù)器計數(shù)的矩型波。

波形處理電路由一個施密特觸發(fā)器組成。如上圖，當(dāng)輸入電壓逐步升高時，致使VI>施密特上限閥值電壓VT+，內(nèi)部觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)VI逐步下降時，致使VI<下限閥值電壓VT-，電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，通常VT+>VT-。所以只要VI<VT-電路就能穩(wěn)定在低電平，VI>VT+電路就穩(wěn)定在高電平，這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合計數(shù)器計數(shù)的需求。典型的施密特其工作波形如圖3-5：圖3-5用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)脈沖整形本設(shè)計選用集成施密特觸發(fā)器CD40106，引腳圖如下所示，可以看出內(nèi)部含有六路同樣的施密特觸發(fā)器，

每個電路均為在兩輸入端具有施密特觸發(fā)器功能的反相器，我們先使用其中一組。圖3-6CD40106引腳圖3.2.3計數(shù)電路計數(shù)部分選用CMOS4000系列芯片CD40110，下面對該芯片做簡要說明：

CD40110為十進制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)，計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。

圖3-7為CD40110引腳圖。圖3-7CD40110引腳圖表3-1

CD4O110邏輯功能表根據(jù)CD40110的引腳說明和邏輯功能表，我們對計數(shù)電路進行設(shè)計，脈沖計數(shù)模塊由3個CMOS器件CD40110級聯(lián)而成，CD40110為十進制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)，計數(shù)器、狀態(tài)鎖存、七段顯示、譯碼輸出等功能。CD40110的2個計數(shù)時鐘輸入端CPU（9腳）和CPD（7腳），分別用作加計數(shù)時鐘輸入和減計數(shù)時鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個時鐘信號預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個時鐘輸入端計數(shù)工作時，另一個時鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。在電機轉(zhuǎn)速測量的過程中，所以我們選擇使用加法計數(shù)時鐘端CPU。CD40110的QCO（10腳）和QBO（11腳）為加進位輸出和減借位輸出，一般為高電平有效，當(dāng)計數(shù)器從0～9時，QBO輸出負脈沖；從9～0時QCO輸出負脈沖。在多片級聯(lián)時，只需要將QCO接至下級CD40110的CPU端，就可組成加法計數(shù)器。TE（4腳）為觸發(fā)器使能端，TE=0時計數(shù)器工作，TE=1時計數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)，設(shè)計中將其接低電平。LE（6腳）為鎖存控制端，LE=1時顯示數(shù)據(jù)保持不變，但它內(nèi)部的計數(shù)器仍正常工作，將其與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出相接，對數(shù)碼管顯示的脈沖數(shù)進行鎖純。CR(5腳)為計數(shù)器清零段，將它和多諧振蕩器的輸出相連，就會對計數(shù)器進行清零。a,b,c,d,e,f,g(1,15,14,13,12,3,2腳)為信號輸出端，與七段數(shù)碼管鏈接。3.2.4控制電路在數(shù)字技術(shù)的各種應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到矩形波、方波、尖頂波和鋸齒波等脈沖形波，它們經(jīng)常用來作為電路的開關(guān)和控制信號。下面將介紹多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，多諧振蕩器能直接產(chǎn)生脈沖信號，施密特觸發(fā)器能對已有的信號進行變換、整形，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于脈沖信號的定時、延時等。3.2.4.1施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器又稱為電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其邏輯符號及電壓傳輸特性如圖3-8。所示。其中圖3-8（ａ）為不帶反相器的施密特觸發(fā)器，而圖3-8（ｂ）是帶反相器的施密特觸發(fā)器。圖3-8施密特觸發(fā)器邏輯符號及電壓傳輸特性由施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性可以看出，它具有如下特點：（１）

有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。一個穩(wěn)態(tài)輸出為高電平，另一個穩(wěn)態(tài)輸出為低電平。這兩個穩(wěn)態(tài)要靠輸入信號電平來維持。

（２）

具有滯回電壓傳輸特性。當(dāng)輸入信號高于時，電路處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，稱作上觸發(fā)電平或正向閾值電壓；當(dāng)輸入信號低于時，電路處于另一穩(wěn)定狀態(tài)，稱作下觸發(fā)電平或負向閾值電壓；而當(dāng)輸入信號處于兩觸發(fā)電平之間時，其輸出保持原狀態(tài)不變。集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器產(chǎn)品的種類較多，屬TTL電路的有7413、7414、74132等，屬CMOS電路的有CD40106、CC4583等。TTL集成施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平大約在1.7V左右，下觸發(fā)電平大約在0.8V左右，其回差電壓大約在0.9

V左右。

CMOS集成施密特觸發(fā)器具有電壓范圍寬的特點，所以工作在不同的電源電壓情況下，所得、和皆有一定的分散性。比如CD40106，電源電壓＝15V時，＝6.8V～10.8V，

＝4～7.4V，＝1.65V。當(dāng)＝5V時，＝2.2～3.6V，＝0.9～2.8V,

＝0.31.6V。3.2.4.2定時電路設(shè)計定時電路由施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器，在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常用到矩形脈沖作為時鐘信號來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，能自行產(chǎn)生具有一定頻率和一定脈寬的矩形波發(fā)生器。由于矩形波中包含有豐富的高級諧波，所以又稱為多諧振蕩器，和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或施密特觸發(fā)器不同，多諧振振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，兩暫穩(wěn)態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換不需要外加觸發(fā)信號，而是靠電路本身來完成的。1.電路組成和工作原理

圖3-9(a)所示電路是用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器

.它是將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路回到輸入端構(gòu)成。接通電源的瞬間,由于電容C的初始電壓為零,即施密特觸發(fā)器的輸入電壓為低電平,故電路

輸出為高電平，電路進入第一個暫穩(wěn)態(tài)，在此期間，輸出高電平經(jīng)電阻R向電容C充電，使以指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)電容C上的電壓增加到略大于施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平時，施密特觸發(fā)器輸出從高電平跳變到高電平，電路從第二暫穩(wěn)態(tài)又返回到第一暫穩(wěn)態(tài)。電路如此周而復(fù)始地改變狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩。電路的工作波形如圖3-9（b）所示。圖3-9用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器采用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路結(jié)構(gòu)簡單，這種振蕩電路可以代替晶體振蕩電路，它適用于低頻振蕩電路，一般用于產(chǎn)生1HZ~1MHZ的低頻信號，僅需外接一個電容和電阻，這種振蕩電路，只需增大電阻R即可降低頻率。2.振蕩周期估算

使用CMOS施密特觸發(fā)器，而且，，則由圖3-（b）所示波形可得電路的振蕩周期為：圖3-10多諧振蕩器周期3.2.4.3鎖純電路設(shè)計鎖存電路是用CMOS集成施密特觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖3-10所示，觸發(fā)脈沖經(jīng)RC微分電路加到施密特觸發(fā)器的輸入端，在輸入脈沖作用下，使得施密特觸發(fā)器的輸入電壓依次經(jīng)過和兩個轉(zhuǎn)換電平，從而在輸出端得到一定寬度的矩形脈沖。具體工作過程如下：圖3-10施密特觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)時，輸入=0，=0，輸出＝。當(dāng)幅度為的正觸發(fā)脈沖加到電路輸入端時，跳變到。由于＞，所以電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，＝，進入暫穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C的充電，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到略低于時，電路狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，返回到原來的穩(wěn)態(tài)，輸出＝。

電路各點的波形如圖3-10（b）所示。輸出脈沖的寬度取決于RC微分電路中電阻R上的電壓從初始值下降到所需的時間。根據(jù)簡單RC電路過渡過程分析的三要素法，可得：3.2.5顯示電路設(shè)計LED數(shù)碼管顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，LED（Light-Emitting

Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。LED數(shù)碼管里面有八個發(fā)光二極管。引腳分別記作a、b、c、d、e、f、g、bd，其中bd是小數(shù)點，abcdefgh

分別控制8個段，稱為段碼。3、8腳是數(shù)碼管的公共端，公共端可以用三極管控制連接電源，由此可以控制整個數(shù)碼管點亮或熄滅。常用的LED數(shù)碼管有兩種，一種是共陽極一種是共陰極的。共陰極數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管電流大小只有1～2

mA，最大極限電流也只有10～30

mA，所以它的輸入端在5

V電源或高于TTL高電平(3.5

V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。LED數(shù)碼管實物圖如圖3-11所示，圖3-11七段共陰極數(shù)碼管LED數(shù)碼管通過點亮特定的字段來顯示數(shù)字或符號。共陰與共陽七段LED數(shù)碼管的顯示字符與對應(yīng)的顯示段碼如下表所示，共陽七段數(shù)碼管的段碼和共陰七段數(shù)碼管段碼互為反碼。表3-2

共陰極七段數(shù)碼管和共陽極七段數(shù)碼管的顯示段碼表CD40110BE做數(shù)碼管的驅(qū)動LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極

LED

（數(shù)碼管）顯示器的芯片，具有BCD轉(zhuǎn)換、鎖存控制、譯碼及驅(qū)動等功能。CMOS電路能提供較大的電流，可直接驅(qū)動LED。TB為觸發(fā)器使能端，加低電平時，計數(shù)器正常工作，加高電平時，計數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，但內(nèi)部計數(shù)器仍正常剛工作。a～g是

7

段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。若要顯示多位，只需將其級聯(lián)，每級輸出接一只

LED

數(shù)碼管即可。所謂共陰

LED

數(shù)碼管是指

7

段

LED

的陰極是連在一起的，在實際應(yīng)用中，限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時，我們選擇大小為1K的限流電阻。計數(shù)與顯示的電路如圖3-12，在電路的工作過程中，計數(shù)脈沖由測速脈沖和控制電路同時控制輸入，將所計脈沖數(shù)通過數(shù)碼管顯示。圖3-12顯示電路第四章電路的焊接與調(diào)試4.1電路連接過程的注意事項芯片的焊接：要認清方向，找準(zhǔn)第一腳，不要倒插，所有IC的插入方向一般應(yīng)保持一致，管腳不能彎曲折斷；元器件的裝插：去除元件管腳上的氧化層，根據(jù)電路圖確定器件的位置，并按信號的流向依次按順序連接元器件；導(dǎo)線的選用：連接導(dǎo)線的直徑應(yīng)與過孔（或插孔）相適應(yīng)，過粗過細均不好，為檢查電路方便，要根據(jù)不同用途，選擇不同顏色的導(dǎo)線，一般習(xí)慣是正電源用紅線，負電源用黑線，信號線用其它顏色的線；連接用的導(dǎo)線要求緊貼板上，焊接或接觸良好，連接線不允許跨越IC或其他器件，盡量做到橫平豎直，便于查線和更換器件。在電路的輸入、輸出端和其測試端應(yīng)預(yù)留測試空間和接線柱，以方便測量調(diào)試；布局合理和組裝正確的電路，不僅電路整齊美觀，而且能提高電路工作的可靠性，便于檢查和排除故障。4.2電路的調(diào)試調(diào)試過程中的注意事項一、調(diào)試之前要熟悉各種儀器的使用方法,并仔細加以檢查，避免由于儀器使用不當(dāng)或出現(xiàn)故障而作出錯誤判斷。

二、測試儀器和被測電路應(yīng)用有良好的共地，只有使儀器和電路之間建立一個公共的參考點，測試的結(jié)果才是準(zhǔn)確的。

三、調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)器件或接線有問題需要更換或修改時，應(yīng)關(guān)斷電源，持更換完畢認真檢查后方可重新通電。

四、調(diào)試過程中，不但要認真觀察和檢測，還要認真記錄。包括記錄觀察的現(xiàn)象、測量的數(shù)據(jù)、波形及相位關(guān)系，必要時在記錄中應(yīng)附加說明，尤其是那些和設(shè)計部符號的現(xiàn)象更是記錄的重點。依據(jù)記錄的數(shù)據(jù)才能把實際觀察的現(xiàn)象和理論預(yù)計的結(jié)果加以定量比較，從中發(fā)展問題，加以改進，最終完善設(shè)計方案。通過過收集第一手資料可以幫助自己積累實際經(jīng)驗，切不可低估記錄的重要作用。

整個電路的成功與否，就在最后的調(diào)試了。在這次電路的調(diào)試過程中，遇到下面幾個問題：

1、由于電路的連接錯誤，導(dǎo)致在計數(shù)時數(shù)碼管上顯示的數(shù)并不如預(yù)期的變化，首先遇到的問題就是數(shù)碼管全部顯示為000，經(jīng)過一步一步的分析，是由于信號采集部分故障，查閱大量光電耦合器的資料后，發(fā)現(xiàn)光電開關(guān)接線錯誤，在更改小部分接線之后，問題得到解決，光電耦合器能正常采集信號，計數(shù)器正常工作。

2、第二個問題也是最關(guān)鍵的問題，關(guān)系到整個電路能否做出來的問題，在焊接的過程中由于對電路板的結(jié)構(gòu)不太熟悉，導(dǎo)致把數(shù)碼管焊在了電路板的最上面一排，導(dǎo)致整個電路短路，最后又重新焊接。在實際操作的過程中，我深深地意識到自身的不足，最后經(jīng)過自己的努力終于完成了電路的調(diào)試。圖4-1多諧振蕩器的調(diào)試圖4-2整個電路的調(diào)試通過調(diào)試，電路能夠進行計數(shù)，顯示脈沖的數(shù)目，并且能夠按要求自動完成計數(shù)、鎖存、保持、清零的工作。電路在工作的過程中，先接通電源，給各個模塊提供穩(wěn)定的工作電壓，然后進行轉(zhuǎn)速的測量。并且能夠調(diào)節(jié)可調(diào)電阻改變電機的轉(zhuǎn)速。我們可以通過脈沖數(shù)和電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系來得到最終的結(jié)果。4.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的誤差分析本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計采用M法進行測速，硬件電路較簡單，設(shè)計已基本完成題目中的各項要求，但是還是有一定的誤差，經(jīng)分析主要是系統(tǒng)誤差和隨機誤差造成的：由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差，從而造成時間閘門的誤差，這是造成測量誤差的一個主要因素。另外，由于電機的轉(zhuǎn)盤是采用塑料盤片磨制而成，高速旋轉(zhuǎn)時容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號頻率與實際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。誤差測量由公式：可知，的量化誤差是一個脈沖，故轉(zhuǎn)速變化：（4-1）（4-2）其相對誤差為：（4-3）（4-4）（4-5）-相對誤差

-加入一個脈沖后的轉(zhuǎn)速值

-轉(zhuǎn)速誤差

由式（4-5）可知：這里=4s，=100，

=0.1％。那么可以計算出，

n=60/0.5=150時，可以滿足此要求，當(dāng)n小于150時，誤差將超出允許范圍之外。實際測量工作中，閘門時間也是一個重要的因素，本程序中僅提供了一個4s固定的閘門時間，實際工程中，可根據(jù)需要，靈活地選擇閘門時間，兼顧各方面的要求，以取得更好的效果。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)從總體上來看，電路設(shè)計制作還是比較成功的，跟以往的制作相比，本次電路完全是在個人的努力下作出來的，因此獲得了很多的經(jīng)驗，一個良好的設(shè)計思路，是電路的生命。我們要在在思路設(shè)計上多花時間，因為前期看似慢，實際上恰恰給后期的制作帶來很大的方便，效果往往是更節(jié)省了許多時間。電子制作慢工出細活，在制作過程中，不能馬虎、粗心。心急吃不了熱豆腐，不要急于求成。特別是電子類的設(shè)計制作更應(yīng)該如此，必須一步一步來，逐個逐個調(diào)試，不可囫圇吞棗，貪圖方便。通過這次課程設(shè)計使我鞏固了我的專業(yè)課。在本次設(shè)計中，