一种低成本电子测速仪表的设计

摘要：利用常见主要集成电路，设计了一种电机转速测量仪表并提出相应的测速算法；还设计了转速信号处理电路，将脉冲信号转化为标准的TTL电平，并通过74LS160寄存器将转速信号显示在LED上。该电子测速仪表具有线路简单、成本低、安装调试方便和节省空间等特点，尤其是在简易工业系统中测量小型电机转速上有明显的优势。
关键词：电子测速仪表；光电码盘；常用集成电子器件

0 引言
转速是各类旋转机械和电机运行中的一个重要物理量，在各种技术测试和监控中需要对其进行精确的测量。随着技术的发展，各种转速测量方法不断涌现。不同的测速方法，一般测量原理或者测量工具存在差异。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速和振动测速法。本文将介绍一种基于光电码盘的测速法，采用常用主要集成电路器件，设计了一种低成本、实时性好、简便易行、耗时短的电机速度测量仪表，并且希望本测速仪表在工业中获得较好的应用。

1 测速原理
本文介绍的方法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。采用光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收光，接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为l，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=(N／t*l)*60。这里，码盘圆周上进行等分等宽的透光条码和遮光条码，遮光条码数为60，以保证脉冲频率与转速数值相等。

2 测速仪表的电路设计
选用NE555、74LS123、74LS160、LF347等主要集成电路制作电机测速仪表，整个仪表的电路图包括测速电路及整形电路、转换电路、定时电路及显示电路等，系统的实现框图如图1所示。

若编码数为l，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=(N／t*l)*60。测速时，①、②端(波形相同，幅度不同)不断输出方波，当③端波形为高电平时，数码管不断闪烁0，而在③端波形为低电平时，计数器保持，数码管显示的数据就是所测电机的转速n。在③端的脉冲上升沿时，由④端输出一个负脉冲使计数器复位，并开始下一次采样计数。要注意的是④端的复位信号的持续时间要远小于①、②端的脉冲周期，复位信号持续时间为3～4μs，不影响测速精度。本仪表中各器件参数已经过调试，测速波形图如图2所示。

2. 1 速度信号检测及整形放大电路
电路工作时，红外发射二极管导通，导通时的正向压降一般为1．0V左右，当光路畅通时红外发射的红外光射入光敏晶体管的基极b，使光敏晶体管的集电极c和发射极e导通，导通电压约为0.3V，①、②端输出低电平；当光路遮断时，光敏晶体管的集电极c和发射极e被切断，①、②端输出高电平。①端的波形经过LF347几级集成运放整形驱动，使得②端的波形与①端相同，但幅度增大。

2. 2 时间控制及信号复位电路
NE55除定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压和调速等多种控制和计量检测，由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛应用于各种电子产品中。这里由NE555构成的多谐振荡器控制计数与否，控制多诣振荡器输出高电平持续时间为1s的矩形波；74LS123是双重可反向触发的单稳态电路，选取外部的RC值来控制脉冲宽度，IC内部有一定时电阻，直接外接定时电容，清零终止输出脉冲。在74LS123的CX与RX／CX之间外接1000pF电容，在RX／CXY与正电源VCC之间外接10kΩ电阻。
2．3 信号驱动与显示电路
图4信号驱动与显示电路

74LS160是十进制计数器，直接清零，异步清零端为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能，160的预置是同步的，当置入控制器PE非为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0～Q3数据端P0～P3一致。LF347的出信号送到十进制计数器的时钟脉冲端，由74LS123构成的可重置施密特触发器的作用是给计数器复位，由74LS160构成的四位计数器计数，LED数码管不断闪烁。

3 结束语
本文介绍的电机测速仪在目前市场上价格最低，无需操作人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。操作非常简单，最容易实现。而且，经过测试并对误差进行分析发现。本系统的测量误差在3％以内，特别是在简易工业系统中小型电机速度检测方面有较好的表现，有很高的性价比。这里作一介绍，希望这种测速仪表得到更广泛的应用。