紅外轉速表的設計

【摘要】紅外線數字轉速表，用來測量轉動速率的測量儀表。本設計介紹了用數字電路進行紅外線數字轉速表的設計、安裝、調試等，并給出了總電路的原理框圖，以及總電路和單元電路的原理圖。設計中分析了電路的基本原理介紹了紅外線數字轉速表的工作過程。實時控制結果表明，轉速表能夠準確的計數，以及數字形式顯示，此紅外線轉速表比普通的機械轉速表測量的準確度高，結構簡單，提高系統可靠性.而且各項性能指標優于原模擬控制系統。

【關鍵詞】紅外線；轉速表；數字電路

1.引言

轉速表的數字化給人們的生活帶來了極大的方便，廣泛用于機動車輛、航空、船舶、機械設備等的重要領域。由于紅外線和數字集成電路技術的本身特性，使紅外線數字轉速的計數準確、性能穩定、體積小、便于安裝。

2.轉速表的功能要求

（1）準確計數，并且四位數字形式顯示，測速范圍為0000～9999轉/秒，實現近距離測量；

（2）轉速表的探頭用紅外線的發光管和接收管；

（3）發射的紅外線用一定的頻率調制，接收的調制脈沖通過解調電路得到被測轉動體的轉速脈沖。

3.紅外線轉速表的工作原理

紅外線轉速表采用的紅外線反射式探頭。反射式控頭、發光管和受光管在被測物體同側，當探頭接近物體時，接收到探頭的紅外線信號，用于測量轉速比較方便。

測量轉速的探頭根據測量距離可采用透鏡系統，也可不采用透鏡系統。當被測物體離開探頭距離在15厘米以內時，無需采用透鏡。探頭設計時可采用小功率發光管MLED81和光敏受光管PH3028。兩管并排放置，兩個管子的中心線夾角很小，使它們在10厘米～15厘米遠處相交。在接近物體上漫反射回來的光線工作，對全黑物體，接收靈敏度很低，對白色物體和鏡面反射體接收最靈敏，也能接收其他顏色物體的反光射，但相應的探測距離要近些。

測量轉速的探頭經常用透鏡系統，根據光學的折射反射原理，發射管和接收管都固定在探測架上，通過透鏡聚焦。在探測架中間用半透膜使發射的紅外線折射向轉動物體，又能使從轉動的物體反射回來的紅光線通過半透膜射向接收管。半透膜上最好涂一層只能透過某個單色波長的物質，或用單色性很好的濾色玻璃制作，使它只能透過固定波長的紅外線，這樣對抗雜散光的干擾更有利。為了提高反射紅外線的能力，通常在轉動物體上貼上一小片紅外線反射紙，反射效果極好。有時用鏡面、鋁箱、潔白平滑的紙、白油漆等也能提供反射性能。當轉動物體轉到反射紙恰好對著從發光管發出的紅外線時，接受管接受到的光信號，從單位時間內收到光信號的次數便可測出轉速。

測量遠距離轉動物體，可用中功率和大功率發光二極管，還可采用砷化鎵但異質結激光二極管，這種管子的峰值波長為0.09μm，輸出功率為2～10W，額定工作電流為15mA～45mA，發射距離超過幾十米。相應的接收管仍可采用硅光電二極管PH3028。

為了紅外線轉速表不怕可見光干擾，系統可以設置振蕩器和波形變換電路，使發射的紅外線通過脈沖功率放大和調制，當受光管收到脈沖信號后，電路把調制發光管的脈沖信號接收到的脈沖信號選通出來，對收到的光電信號，必須“卸調”調制脈沖，即實行解調，從中取得真正需要的轉速脈沖輸出信號，解調后輸出信號送入計數控制門計數。

4.主體電路的設計與調裝

主體電路由功能部件或單元電路組成。在設計這些電路或選擇部件時，選用同類型的器件，如所有功能部件都采用COMS集成電路或TTL集成電路，使整個系統所有的器件種類應盡可能少，同時性價比合理。

4.1 振蕩器的設計

本系統的整個主體電路采用了兩個振蕩器，一個是采用集成邏輯門與RC組成的脈沖時鐘源，來產生紅外線的發射頻率；另一個是采用集成電路555與 RC組成的多諧振蕩器。

4.1.1 由于門電路的輸入阻抗很高，適用與對頻率準確性要求不太高的低頻時鐘源（小于100kHz）。常取補償電阻R1>>R2（定時電阻），即R1=10R2。

4.1.2 集成電路555與Rc組成的多諧振蕩器。該振蕩電路的作用是產生一個標準時間信號（高電平持續時間為1s）。若振蕩器的頻率f0=1/（t1+t2）=0.8Hz，其中：t1=1s，t2=0.25s。

若取電容為：C6=10?F，則：R10=t2/0.7C6 =35.7kΩ，取標稱值R10=36 kΩ。R9=（t1/ 0.7C6）-R2=107kΩ，取R9=47 kΩ，RP=100 kΩ。

4.1.3 振蕩器的調試

（1）電路按設計進行連接到實驗箱，接通電源，輸出接到示波器輸入端。

（2）調整示波器，調節滑動變阻器出現1Hz方波脈沖。

振蕩器是紅外線數字轉速表的核心。一般來說，振蕩器的頻率越高，計數的精度就越高。

4.2 延時電路的設計

脈沖信號可由一個單穩態觸發器CC4098產生，它們的脈沖寬度由電路的時間決定。設鎖存信號Ⅳ和清“0”信號Ⅴ的脈沖寬度tw相同，如果要求tw =0.02s，則由t=0.45，RextCext=0.02s。若取Rext=10kΩ，則Cext=tw/0.45Rext=4.4?F取標稱值4.7?F。

4.3 調制電路的設計

為了提高傳輸信號的抗干擾能力，還需將編碼信號調制在較高頻率的載波上發射。本設計的載波頻率為40kHz，故可采用CMOS門電路構成的脈沖調制振蕩電路。當振蕩器產生的頻率信號為高電平時，調制振蕩器工作，輸出載頻信號；當振蕩器產生的頻率信號為低電平時，調制振蕩器不工作，輸出為低電平。

本設計采用載頻為40kHz，取C2=680pF，則R4=16.7kΩ，可將1個10 kΩ電阻和1個10 kΩ的電位器串聯使用。R3=10R4=167 kΩ，取標稱值R4=160 kΩ。

4.4 紅外線發射電路的設計

發射電路是由放大電路和紅外線發射管MLED81組成， G1，G2為隔離級，其作用是減小發射時的大電流對振蕩級的影響；T1，T2組成復合三極管，對發射信號進行電流放大，紅外管MLED81的工作電流為（200～300）mA。流經發光二極管的電流ID=Ic1+Ic2≈Ic2，當G2輸出為高電平VOH時，T1、T2導通，紅外管工作，當G2輸出為低電平VOL時，T1、T2截止，紅外管不工作。

4.5 紅外接收電路的設計

紅外接收電路通常由一片專用集成電路和少量的外圍器件組成。

外圍器件R6、C3的參數決定放大器的增益，當R6=4.7Ω，C3=1?F時，電壓增益約為79dB，R6增大、C3減小則會使增益降低。R8確定帶通濾波器的中心頻率，調節R8、使f0的變化范圍為30kHz～60kHz。C5是檢波電容，一般取值為2.2?F～4.7?F。R7是上拉電阻，一般取值為1kΩ～3kΩ。

4.6 計數/鎖存/7段譯碼/驅動器 電路的設計

本電路采用集成度較高的CC40110芯片。CC40110是COMS集成電路，內部計數器采用“約翰遜計數器”結構，按二——十進制加/減方式工作，鎖存器將數據鎖存，譯碼器、驅動器和輸出驅動七段顯示器電源范圍為3～18V輸出驅動電流可達10mA以上。

5.紅外線轉速表的安裝與調試

5.1 振蕩器的調試

首先把電路按照電路圖連接好，利用頻率計測量邏輯門與RC組成的振蕩器產生的頻率。然后再調試由集成電路555與RC組成的振蕩器，輸出1Hz的秒脈沖信號，通過1秒脈寬電路 得到閘門時間為1秒的閘門信號。

5.2 紅外發射機的調試

紅外發射機的調試可按照時鐘源→脈沖調制→紅外線發射的順序進行調試。

利用示波器觀察振蕩器產生的頻率信號是否通過調制電路產生調制信號；檢查紅外線發光管電路是否正確發射紅外線。

5.3 紅外線接收機的調試

應先調接收電路的增益和接收的中心頻率。從CX20106第①腳送入頻率為40Hz峰峰值為0.2mV的信號（可將信號源輸入分壓）用示波器在第⑤腳測輸出，其增益應大于70dB。保持信號源輸出幅度不變，調節信號源頻率在30Hz至50Hz之間變化，輸出電壓應在頻率為40Hz點最大，否則調整R2使其在頻率為40Hz時輸出最大。

注意：信號源輸出、分壓電路以及與電路的連線應盡可能短，以免引入干擾影響測量。

5.4 系統聯調

系統在聯調時，先將各單元電路連接起來，然后將紅外發射管、接收管的距離調節好，在實際運用中，距離不能太大，如果距離較大時還需增大紅外管的發射電流，或將幾個紅外發射管串聯發射等，增強紅外發射光的方法來解決；也可以使幾個紅外接收管并聯接收，以提高接收的靈敏度。

6.結論

本設計的紅外線數字轉速表實現測量轉動物體轉速的功能。可以準確的測量出轉動體在單位時間內的轉數。設計的特點是：設計簡單、成本小，在本設計中多次采用了CMOS系列的集成電路，這樣大大提高了系統工作中的運行速度。

參考文獻

[1]陳大欽.電子技術基礎實驗[M].高等教育出版社，2000.

[2]王國玉，李中顯.電子產品設計與制作[M].科學出版社，2010.

作者簡介：于秀云（1966—），女， 內蒙古赤峰農牧學校講師，研究方向：電子信息技術。