紅外轉(zhuǎn)速表的設計

【摘要】紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表，用來測量轉(zhuǎn)動速率的測量儀表。本設計介紹了用數(shù)字電路進行紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表的設計、安裝、調(diào)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(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作過程。實時控制結果表明，轉(zhuǎn)速表能夠準確的計數(shù)，以及數(shù)字形式顯示，此紅外線轉(zhuǎn)速表比普通的機械轉(zhuǎn)速表測量的準確度高，結構簡單，提高系統(tǒng)可靠性.而且各項性能指標優(yōu)于原模擬控制系統(tǒng)。

【關鍵詞】紅外線；轉(zhuǎn)速表；數(shù)字電路

1.引言

轉(zhuǎn)速表的數(shù)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(shù)字集成電路技術的本身特性，使紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速的計數(shù)準確、性能穩(wěn)定、體積小、便于安裝。

2.轉(zhuǎn)速表的功能要求

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

（2）轉(zhuǎn)速表的探頭用紅外線的發(fā)光管和接收管；

（3）發(fā)射的紅外線用一定的頻率調(diào)制，接收的調(diào)制脈沖通過解調(diào)電路得到被測轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)速脈沖。

3.紅外線轉(zhuǎn)速表的工作原理

紅外線轉(zhuǎn)速表采用的紅外線反射式探頭。反射式控頭、發(fā)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(zhuǎn)速比較方便。

測量轉(zhuǎn)速的探頭根據(jù)測量距離可采用透鏡系統(tǒng)，也可不采用透鏡系統(tǒng)。當被測物體離開探頭距離在15厘米以內(nèi)時，無需采用透鏡。探頭設計時可采用小功率發(fā)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(zhuǎn)速的探頭經(jīng)常用透鏡系統(tǒng)，根據(jù)光學的折射反射原理，發(fā)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(fā)射的紅外線折射向轉(zhuǎn)動物體，又能使從轉(zhuǎn)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(zhì)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)動物體轉(zhuǎn)到反射紙恰好對著從發(fā)光管發(fā)出的紅外線時，接受管接受到的光信號，從單位時間內(nèi)收到光信號的次數(shù)便可測出轉(zhuǎn)速。

測量遠距離轉(zhuǎn)動物體，可用中功率和大功率發(fā)光二極管，還可采用砷化鎵但異質(zhì)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(fā)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(zhuǎn)速表不怕可見光干擾，系統(tǒng)可以設置振蕩器和波形變換電路，使發(fā)射的紅外線通過脈沖功率放大和調(diào)制，當受光管收到脈沖信號后，電路把調(diào)制發(fā)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(diào)”調(diào)制脈沖，即實行解調(diào)，從中取得真正需要的轉(zhuǎn)速脈沖輸出信號，解調(diào)后輸出信號送入計數(shù)控制門計數(shù)。

4.主體電路的設計與調(diào)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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)生紅外線的發(fā)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(chǎn)生一個標準時間信號（高電平持續(xù)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(diào)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(diào)整示波器，調(diào)節(jié)滑動變阻器出現(xiàn)1Hz方波脈沖。

振蕩器是紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表的核心。一般來說，振蕩器的頻率越高，計數(shù)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器CC4098產(chǎn)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(diào)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(diào)制在較高頻率的載波上發(fā)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(diào)制振蕩電路。當振蕩器產(chǎn)生的頻率信號為高電平時，調(diào)制振蕩器工作，輸出載頻信號；當振蕩器產(chǎn)生的頻率信號為低電平時，調(diào)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(lián)使用。R3=10R4=167 kΩ，取標稱值R4=160 kΩ。

4.4 紅外線發(fā)射電路的設計

發(fā)射電路是由放大電路和紅外線發(fā)射管MLED81組成， G1，G2為隔離級，其作用是減小發(fā)射時的大電流對振蕩級的影響；T1，T2組成復合三極管，對發(fā)射信號進行電流放大，紅外管MLED81的工作電流為（200～300）mA。流經(jīng)發(fā)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(shù)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(diào)節(jié)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(shù)/鎖存/7段譯碼/驅(qū)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(nèi)部計數(shù)器采用“約翰遜計數(shù)器”結構，按二——十進制加/減方式工作，鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，譯碼器、驅(qū)動器和輸出驅(qū)動七段顯示器電源范圍為3～18V輸出驅(qū)動電流可達10mA以上。

5.紅外線轉(zhuǎn)速表的安裝與調(diào)試

5.1 振蕩器的調(diào)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(chǎn)生的頻率。然后再調(diào)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(fā)射機的調(diào)試

紅外發(fā)射機的調(diào)試可按照時鐘源→脈沖調(diào)制→紅外線發(fā)射的順序進行調(diào)試。

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

5.3 紅外線接收機的調(diào)試

應先調(diào)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(diào)節(jié)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(diào)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(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)在聯(lián)調(diào)時，先將各單元電路連接起來，然后將紅外發(fā)射管、接收管的距離調(diào)節(jié)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(fā)射電流，或?qū)讉€紅外發(fā)射管串聯(lián)發(fā)射等，增強紅外發(fā)射光的方法來解決；也可以使幾個紅外接收管并聯(lián)接收，以提高接收的靈敏度。

6.結論

本設計的紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表實現(xiàn)測量轉(zhuǎn)動物體轉(zhuǎn)速的功能?？梢詼蚀_的測量出轉(zhuǎn)動體在單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。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(tǒng)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(chǎn)品設計與制作[M].科學出版社，2010.

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