微型电机转速仪设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇微型电机转速仪设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘要】为了准确测量微型电机的转速，设计了一个数字化转速仪。应用光电传感器采集转速脉冲，数字集成电路进行定时、计数、显示等，给出了各个模块的电路图，同时用Multisim软件做了仿真。测试结果表明，系统误差小于2%，控制灵活，实用性强。

【关键词】电机；转速；Multisim

1.引言

电机的转速是其运行时的一个重要参数，在很多控制系统中，都需要监测电机的转速。本设计采用红外光电传感器ST155作为光电检测门，显示部分运用74HC4511译码和驱动数码管显示，计数部分巧妙地运用了74LS290与逻辑门电路的连接分别实现了定时、计数和计数清零的功能，特别是定时和清零电路巧妙地运用了高低电平转换对芯片工作状态的影响，达到了自动计数和清零的功能。这一电路的运用，避免了使用锁存芯片清零的麻烦，减少了大量数字芯片的浪费，同时简化了电路，增强了自动性能。采用时钟晶振芯片通过CD4060分频产生标准的秒脉冲，大大减小了定时和计数误差，提高了整个设计的精确度[1]。

为了满足微型电机的测速要求，系统必须具备以下功能模块：光电门检测模块、频率发生模块、转速计数模块。本方案通过光电门检测模块检测电机在一秒内转动的次数，并向转速计数模块发正脉冲用以计数；由计时模块产生时间控制电路，用以控制计数及停止的时间，设计1：9的时间比例（计数1秒测转速，停留8秒用以读数）及自动清零功能，增强了系统的自动控制能力；转速计数模块由计数部分和显示部分组成，用以显示电机转速。方案设计框图如图1所示。

2.系统的组成与实现

2.1 光电门电路的设计实现

光电门电路的设计原理图如图2所示。

利用光电门电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上挖一缺口，缺口上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通一次，利用此信号做为计数脉冲。

D2、D3为组成光电门，当光电门之间有物体阻挡时，D3与Q2不导通，输出低电平；当无物体阻挡时，D3与Q2导通，输出高电平。脉冲由J1的2脚输出。

2.2 计时模块的设计实现

2.2.1 秒脉冲发生器

秒脉冲发生器的设计原理图如图3所示。

Y1为时钟晶振，U1、U2为CD4060分频器，它内部含有14级的二进制串行计数器，可以进行214分频，32768Hz谐振频率经过内部14级计数器214=16372分频后可以得到2Hz的精确频率。现在所需要的1秒的时钟，因此2Hz的脉冲需在经过一个分频电路就可以输出准确1秒脉冲，故采用两级芯片级联，共同完成秒脉冲的分频[2]。

2.2.2 定时部分和清零部分

如图4所示，由分频计分出的1Hz脉冲由74LS290的10脚输入，控制74LS290每秒钟计一次数。根据其真值表可知，当MR1和MR2有一个为低电平时，电路处于计数状态。当MR1和MR2同时为高电平时，处于清零状态。

图中U6 MR及MS脚的接法满足计数要求，此时电路工作于计数状态，当计数到Q3Q2Q1Q0=1001时，通过U4和U5组成的与门将高电平信号输入到下一级电路，根据电路设计，此高电平信号与光电测试电路发出的高电平相与，当两者同为高电平时，才能使计数电路计数；当Q3Q2Q1Q0不等于1001时，此定时器输出低电平，无法驱动计数电路计数，此时数据将在显示模块保持，用于读数。

当Q3Q2Q1Q0再次等于1001时，再计数一秒。由此可知此定时器完成了1：9的定时，即计数1秒，停留8秒，此过程完全由设计电路的高低电平的转换自动完成。

同时，在8、9脚连接与非门电路，实现在第8秒清零的功能。实现如下：为了避免竞争冒险造成的提前清零现象，由三极管Q1组成的电平选择电路实现了非门的功能，即当Q3Q2Q1Q0=1000时，74LS290的9脚输出低电平，三极管不导通，接VCC输出高电平信号，与第8脚输出的高电平信号经过与门可输出高电平信号，将此信号接入计数电路中74LS290芯片的MR脚，使其处于清零状态，可将三个数码管读数全部同时清零，以便于下一次计数不受影响。

2.3 转速计数模块的设计实现

2.3.1 计数部分

本电路设计了三位十进制计数器，三个计数器工作原理完全相同，在此以其中一个为例分析。计数部分的原理实现如图5所示：

由J2的2脚接入光电检测部分输入的电平，与定时部分输入的电平信号同时决定技计数与否，当两者同时为高电平时，进行计数。计数时，数值通过Q3Q2Q1Q0输入译码器的ABCD脚，同时当Q3（即8脚）计数满时，即计数到1001时，将8脚的高电平输入到下一级计数器作为进位。

2.3.2 显示部分

显示部分的原理实现如图6所示[3]：

计数器将计数值输入ABCD，通过译码器译码可得8段数码管的输入信号。由4511的真值表可知，二进制数值可经译码器译码在数码管上显示成十进制数。

3.系统的仿真

3.1 电路仿真

由Multisim软件仿真本数字转速仪[4]，图中光电门检测模块所产生的脉冲由一脉冲发生计代替，设其频率为400Hz。由于仿真软件时间设置较慢，若用1Hz秒脉冲仿真，则每次要等待很长时间才能看到电路工作效果，故将其设为10Hz。这样设置可以正确反映电路工作原理，不影响电路正常工作。

仿真电路见图7。

3.2 波形仿真

由于原本设电机仿真频率为400Hz，而秒脉冲为1Hz，这样无法在逻辑分析仪中看到完整的波形，故为得到工作波形设秒脉冲发出100Hz的频率，其他部分的工作原理由此可清楚地由仿真波形中看出。

由图8可知，当定时信号为低时，计数信号也为低，即此时计数模块保持上一周期所计数据，当定时信号为高时，计数模块开始计数，此时计数频率与电机转动频率相同；同时可知，秒脉冲每发出9个高电平，计数器计数1秒，故每个测量周期为10秒；另外，清零信号在第8秒跳转，完成自动清零功能。

总之，由Multisim仿真可得到非常好的结果，并由此验证的本次设计原理的正确性，同时可得出硬件电路原理图，以实现实物的制作。

4.系统测试

4.1 测试方法及误差分析

（1）用示波器测试晶振通过两级CD4060分频后是否产生秒脉冲，测试结果显示可以产生稳定标准的秒脉冲；

（2）用示波器测量光电门检测模块所发出的频率，与计数部分显示的数据比较，可知每秒钟平均相差0.14转，由此可得平均误差为±（0.14*60）r/min，即±8.4r/min，达到了很好的精度。

4.2 测试结果

本转速仪可以较为准确地测试直流电机的转速，误差范围控制在-8.4r/min～+8.4r/min；并且实现了自动计数及自动清零的功能，控制灵活，定时、计数、清零的工作都由高低电平的转换自动实现。

5.总结

本设计完全达到了实际所要求的技术范围，并成功地实现于仿真软件及硬件电路，达到了设计课题所要求的技术指标，误差范围控制在-6r/min～+6r/min，远小于20r/min的题目要求。并且实现了自动计数及自动清零的功能，控制灵活，自动性能好。

总的来说，电路设计制作还是比较成功的，获得了很多的经验：

（1）设计思路是实际制作的扎实基石

一个良好的设计思路，是电路的生命。宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给后期的制作带来很大的方便，效果往往是更节省了许多时间。

（2）电子制作慢工出细活

在制作过程中，马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计制作更应该如此。一步一步来，逐个调试，不可囫囵吞枣，不可贪图方便。

（3）活学活用

理论知识永远是基础，而基础正是你向高层次迈进的扎实阶梯，没有这个基础，就无法实现技术上的腾飞。在实践当中，灵活运用书本上所讲的知识，万变不离其宗，只有扎实掌握了核心的方法，才有可能做到活用巧用。

参考文献

[1]康华光，等.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，1997.

[4]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2007.

项目资助：南华大学船山学院教改课题（2012CY003），2011年南华大学网络教育资源项目。

作者简介：欧阳宏志（1982―），男，湖南衡阳人，硕士，讲师，主要从事电工电子技术的教学及射频识别技术的研究。