红外转速表的设计

【摘要】红外线数字转速表，用来测量转动速率的测量仪表。本设计介绍了用数字电路进行红外线数字转速表的设计、安装、调试等，并给出了总电路的原理框图，以及总电路和单元电路的原理图。设计中分析了电路的基本原理介绍了红外线数字转速表的工作过程。实时控制结果表明，转速表能够准确的计数，以及数字形式显示，此红外线转速表比普通的机械转速表测量的准确度高，结构简单，提高系统可靠性.而且各项性能指标优于原模拟控制系统。

【关键词】红外线；转速表；数字电路

1.引言

转速表的数字化给人们的生活带来了极大的方便，广泛用于机动车辆、航空、船舶、机械设备等的重要领域。由于红外线和数字集成电路技术的本身特性，使红外线数字转速的计数准确、性能稳定、体积小、便于安装。

2.转速表的功能要求

（1）准确计数，并且四位数字形式显示，测速范围为0000～9999转/秒，实现近距离测量；

（2）转速表的探头用红外线的发光管和接收管；

（3）发射的红外线用一定的频率调制，接收的调制脉冲通过解调电路得到被测转动体的转速脉冲。

3.红外线转速表的工作原理

红外线转速表采用的红外线反射式探头。反射式控头、发光管和受光管在被测物体同侧，当探头接近物体时，接收到探头的红外线信号，用于测量转速比较方便。

测量转速的探头根据测量距离可采用透镜系统，也可不采用透镜系统。当被测物体离开探头距离在15厘米以内时，无需采用透镜。探头设计时可采用小功率发光管MLED81和光敏受光管PH3028。两管并排放置，两个管子的中心线夹角很小，使它们在10厘米～15厘米远处相交。在接近物体上漫反射回来的光线工作，对全黑物体，接收灵敏度很低，对白色物体和镜面反射体接收最灵敏，也能接收其他颜色物体的反光射，但相应的探测距离要近些。

测量转速的探头经常用透镜系统，根据光学的折射反射原理，发射管和接收管都固定在探测架上，通过透镜聚焦。在探测架中间用半透膜使发射的红外线折射向转动物体，又能使从转动的物体反射回来的红光线通过半透膜射向接收管。半透膜上最好涂一层只能透过某个单色波长的物质，或用单色性很好的滤色玻璃制作，使它只能透过固定波长的红外线，这样对抗杂散光的干扰更有利。为了提高反射红外线的能力，通常在转动物体上贴上一小片红外线反射纸，反射效果极好。有时用镜面、铝箱、洁白平滑的纸、白油漆等也能提供反射性能。当转动物体转到反射纸恰好对着从发光管发出的红外线时，接受管接受到的光信号，从单位时间内收到光信号的次数便可测出转速。

测量远距离转动物体，可用中功率和大功率发光二极管，还可采用砷化镓但异质结激光二极管，这种管子的峰值波长为0.09μm，输出功率为2～10W，额定工作电流为15mA～45mA，发射距离超过几十米。相应的接收管仍可采用硅光电二极管PH3028。

为了红外线转速表不怕可见光干扰，系统可以设置振荡器和波形变换电路，使发射的红外线通过脉冲功率放大和调制，当受光管收到脉冲信号后，电路把调制发光管的脉冲信号接收到的脉冲信号选通出来，对收到的光电信号，必须“卸调”调制脉冲，即实行解调，从中取得真正需要的转速脉冲输出信号，解调后输出信号送入计数控制门计数。

4.主体电路的设计与调装

主体电路由功能部件或单元电路组成。在设计这些电路或选择部件时，选用同类型的器件，如所有功能部件都采用COMS集成电路或TTL集成电路，使整个系统所有的器件种类应尽可能少，同时性价比合理。

4.1 振荡器的设计

本系统的整个主体电路采用了两个振荡器，一个是采用集成逻辑门与RC组成的脉冲时钟源，来产生红外线的发射频率；另一个是采用集成电路555与 RC组成的多谐振荡器。

4.1.1 由于门电路的输入阻抗很高，适用与对频率准确性要求不太高的低频时钟源（小于100kHz）。常取补偿电阻R1>>R2（定时电阻），即R1=10R2。

4.1.2 集成电路555与Rc组成的多谐振荡器。该振荡电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s）。若振荡器的频率f0=1/（t1+t2）=0.8Hz，其中：t1=1s，t2=0.25s。

若取电容为：C6=10?F，则：R10=t2/0.7C6 =35.7kΩ，取标称值R10=36 kΩ。R9=（t1/ 0.7C6）-R2=107kΩ，取R9=47 kΩ，RP=100 kΩ。

4.1.3 振荡器的调试

（1）电路按设计进行連接到实验箱，接通电源，输出接到示波器输入端。

（2）调整示波器，调节滑动变阻器出现1Hz方波脉冲。

振荡器是红外线数字转速表的核心。一般来说，振荡器的频率越高，计数的精度就越高。

4.2 延时电路的设计

脉冲信号可由一个单稳态触发器CC4098产生，它们的脉冲宽度由电路的时间决定。设锁存信号Ⅳ和清“0”信号Ⅴ的脉冲宽度tw相同，如果要求tw =0.02s，则由t=0.45，RextCext=0.02s。若取Rext=10kΩ，则Cext=tw/0.45Rext=4.4?F取标称值4.7?F。

4.3 调制电路的设计

为了提高传输信号的抗干扰能力，还需将编码信号调制在较高频率的载波上发射。本设计的载波频率为40kHz，故可采用CMOS门电路构成的脉冲调制振荡电路。当振荡器产生的频率信号为高电平时，调制振荡器工作，输出载频信号；当振荡器产生的频率信号为低电平时，调制振荡器不工作，输出为低电平。

本设计采用载频为40kHz，取C2=680pF，则R4=16.7kΩ，可将1个10 kΩ电阻和1个10 kΩ的电位器串联使用。R3=10R4=167 kΩ，取标称值R4=160 kΩ。

4.4 红外线发射电路的设计

发射电路是由放大电路和红外线发射管MLED81组成， G1，G2为隔离级，其作用是减小发射时的大电流对振荡级的影响；T1，T2组成复合三极管，对发射信号进行电流放大，红外管MLED81的工作电流为（200～300）mA。流经发光二极管的电流ID=Ic1+Ic2≈Ic2，当G2输出为高电平VOH时，T1、T2导通，红外管工作，当G2输出为低电平VOL时，T1、T2截止，红外管不工作。

4.5 红外接收电路的设计

红外接收电路通常由一片专用集成电路和少量的外围器件组成。

外围器件R6、C3的参数决定放大器的增益，当R6=4.7Ω，C3=1?F时，电压增益约为79dB，R6增大、C3减小则会使增益降低。R8确定带通滤波器的中心频率，调节R8、使f0的变化范围为30kHz～60kHz。C5是检波电容，一般取值为2.2?F～4.7?F。R7是上拉电阻，一般取值为1kΩ～3kΩ。

4.6 计数/锁存/7段译码/驱动器 电路的设计

本电路采用集成度较高的CC40110芯片。CC40110是COMS集成电路，内部计数器采用“约翰逊计数器”结构，按二——十进制加/减方式工作，锁存器将数据锁存，译码器、驱动器和输出驱动七段显示器电源范围为3～18V输出驱动电流可达10mA以上。

5.红外线转速表的安装与调试

5.1 振荡器的调试

首先把电路按照电路图连接好，利用频率计测量逻辑门与RC组成的振荡器产生的频率。然后再调试由集成电路555与RC组成的振荡器，输出1Hz的秒脉冲信号，通过1秒脉宽电路 得到闸门时间为1秒的闸门信号。

5.2 红外发射机的调试

红外发射机的调试可按照时钟源→脉冲调制→红外线发射的顺序进行调试。

利用示波器观察振荡器产生的频率信号是否通过调制电路产生调制信号；检查红外线发光管电路是否正确发射红外线。

5.3 红外线接收机的调试

应先调接收电路的增益和接收的中心频率。从CX20106第①脚送入频率为40Hz峰峰值为0.2mV的信号（可将信号源输入分压）用示波器在第⑤脚测输出，其增益应大于70dB。保持信号源输出幅度不变，调节信号源频率在30Hz至50Hz之间变化，输出电压应在频率为40Hz点最大，否则调整R2使其在频率为40Hz时输出最大。

注意：信号源输出、分压电路以及与电路的连线应尽可能短，以免引入干扰影响测量。

5.4 系统联调

系统在联调时，先将各单元电路连接起来，然后将红外发射管、接收管的距离调节好，在实际运用中，距离不能太大，如果距离较大时还需增大红外管的发射電流，或将几个红外发射管串联发射等，增强红外发射光的方法来解决；也可以使几个红外接收管并联接收，以提高接收的灵敏度。

6.结论

本设计的红外线数字转速表实现测量转动物体转速的功能。可以准确的测量出转动体在单位时间内的转数。设计的特点是：设计简单、成本小，在本设计中多次采用了CMOS系列的集成电路，这样大大提高了系统工作中的运行速度。

参考文献

[1]陈大钦.电子技术基础实验[M].高等教育出版社，2000.

[2]王国玉，李中显.电子产品设计与制作[M].科学出版社，2010.

作者简介：于秀云（1966—），女， 内蒙古赤峰农牧学校讲师，研究方向：电子信息技术。