【摘要】紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表，用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速率的測(cè)量?jī)x表。本設(shè)計(jì)介紹了用數(shù)字電路進(jìn)行紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)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(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速表能夠準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，以及數(shù)字形式顯示，此紅外線轉(zhuǎn)速表比普通的機(jī)械轉(zhuǎn)速表測(cè)量的準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高系統(tǒng)可靠性.而且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于原模擬控制系統(tǒng)。

【關(guān)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(lái)了極大的方便，廣泛用于機(jī)動(dòng)車輛、航空、船舶、機(jī)械設(shè)備等的重要領(lǐng)域。由于紅外線和數(shù)字集成電路技術(shù)的本身特性，使紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速的計(jì)數(shù)準(zhǔn)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(zhǔn)確計(jì)數(shù)，并且四位數(shù)字形式顯示，測(cè)速范圍為0000～9999轉(zhuǎn)/秒，實(shí)現(xiàn)近距離測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)物體同側(cè)，當(dāng)探頭接近物體時(shí)，接收到探頭的紅外線信號(hào)，用于測(cè)量轉(zhuǎn)速比較方便。

測(cè)量轉(zhuǎn)速的探頭根據(jù)測(cè)量距離可采用透鏡系統(tǒng)，也可不采用透鏡系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)物體離開探頭距離在15厘米以內(nèi)時(shí)，無(wú)需采用透鏡。探頭設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)管子的中心線夾角很小，使它們?cè)?0厘米～15厘米遠(yuǎn)處相交。在接近物體上漫反射回來(lái)的光線工作，對(duì)全黑物體，接收靈敏度很低，對(duì)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(yīng)的探測(cè)距離要近些。

測(cè)量轉(zhuǎn)速的探頭經(jīng)常用透鏡系統(tǒng)，根據(jù)光學(xué)的折射反射原理，發(fā)射管和接收管都固定在探測(cè)架上，通過透鏡聚焦。在探測(cè)架中間用半透膜使發(fā)射的紅外線折射向轉(zhuǎn)動(dòng)物體，又能使從轉(zhuǎn)動(dòng)的物體反射回來(lái)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(gè)單色波長(zhǎng)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(zhǎng)的紅外線，這樣對(duì)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(dòng)物體上貼上一小片紅外線反射紙，反射效果極好。有時(shí)用鏡面、鋁箱、潔白平滑的紙、白油漆等也能提供反射性能。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)到反射紙恰好對(duì)著從發(fā)光管發(fā)出的紅外線時(shí)，接受管接受到的光信號(hào)，從單位時(shí)間內(nèi)收到光信號(hào)的次數(shù)便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。

測(cè)量遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)動(dòng)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(jié)激光二極管，這種管子的峰值波長(zhǎng)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(yīng)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(shè)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(dāng)受光管收到脈沖信號(hào)后，電路把調(diào)制發(fā)光管的脈沖信號(hào)接收到的脈沖信號(hào)選通出來(lái)，對(duì)收到的光電信號(hào)，必須“卸調(diào)”調(diào)制脈沖，即實(shí)行解調(diào)，從中取得真正需要的轉(zhuǎn)速脈沖輸出信號(hào)，解調(diào)后輸出信號(hào)送入計(jì)數(shù)控制門計(jì)數(shù)。

4.主體電路的設(shè)計(jì)與調(diào)裝

主體電路由功能部件或單元電路組成。在設(shè)計(jì)這些電路或選擇部件時(shí)，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(gè)系統(tǒng)所有的器件種類應(yīng)盡可能少，同時(shí)性價(jià)比合理。

4.1 振蕩器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整個(gè)主體電路采用了兩個(gè)振蕩器，一個(gè)是采用集成邏輯門與RC組成的脈沖時(shí)鐘源，來(lái)產(chǎn)生紅外線的發(fā)射頻率；另一個(gè)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(duì)頻率準(zhǔn)確性要求不太高的低頻時(shí)鐘源（小于100kHz）。常取補(bǔ)償電阻R1>>R2（定時(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（高電平持續(xù)時(shí)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(biāo)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(shè)計(jì)進(jìn)行連接到實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)數(shù)的精度就越高。

4.2 延時(shí)電路的設(shè)計(jì)

脈沖信號(hào)可由一個(gè)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(shí)間決定。設(shè)鎖存信號(hào)Ⅳ和清“0”信號(hào)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(biāo)稱值4.7?F。

4.3 調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

為了提高傳輸信號(hào)的抗干擾能力，還需將編碼信號(hào)調(diào)制在較高頻率的載波上發(fā)射。本設(shè)計(jì)的載波頻率為40kHz，故可采用CMOS門電路構(gòu)成的脈沖調(diào)制振蕩電路。當(dāng)振蕩器產(chǎn)生的頻率信號(hào)為高電平時(shí)，調(diào)制振蕩器工作，輸出載頻信號(hào)；當(dāng)振蕩器產(chǎn)生的頻率信號(hào)為低電平時(shí)，調(diào)制振蕩器不工作，輸出為低電平。

本設(shè)計(jì)采用載頻為40kHz，取C2=680pF，則R4=16.7kΩ，可將1個(gè)10 kΩ電阻和1個(gè)10 kΩ的電位器串聯(lián)使用。R3=10R4=167 kΩ，取標(biāo)稱值R4=160 kΩ。

4.4 紅外線發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

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(jí)，其作用是減小發(fā)射時(shí)的大電流對(duì)振蕩級(jí)的影響；T1，T2組成復(fù)合三極管，對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(dāng)G2輸出為高電平VOH時(shí)，T1、T2導(dǎo)通，紅外管工作，當(dāng)G2輸出為低電平VOL時(shí)，T1、T2截止，紅外管不工作。

4.5 紅外接收電路的設(shè)計(jì)

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(dāng)R6=4.7Ω，C3=1?F時(shí)，電壓增益約為79dB，R6增大、C3減小則會(huì)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(jì)數(shù)/鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器 電路的設(shè)計(jì)

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(jì)數(shù)器采用“約翰遜計(jì)數(shù)器”結(jié)構(gòu)，按二——十進(jìn)制加/減方式工作，鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，譯碼器、驅(qū)動(dòng)器和輸出驅(qū)動(dòng)七段顯示器電源范圍為3～18V輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)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(jì)測(cè)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(hào)，通過1秒脈寬電路 得到閘門時(shí)間為1秒的閘門信號(hào)。

5.2 紅外發(fā)射機(jī)的調(diào)試

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

利用示波器觀察振蕩器產(chǎn)生的頻率信號(hào)是否通過調(diào)制電路產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)；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(jī)的調(diào)試

應(yīng)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(hào)（可將信號(hào)源輸入分壓）用示波器在第⑤腳測(cè)輸出，其增益應(yīng)大于70dB。保持信號(hào)源輸出幅度不變，調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率在30Hz至50Hz之間變化，輸出電壓應(yīng)在頻率為40Hz點(diǎn)最大，否則調(diào)整R2使其在頻率為40Hz時(shí)輸出最大。

注意：信號(hào)源輸出、分壓電路以及與電路的連線應(yīng)盡可能短，以免引入干擾影響測(cè)量。

5.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)在聯(lián)調(diào)時(shí)，先將各單元電路連接起來(lái)，然后將紅外發(fā)射管、接收管的距離調(diào)節(jié)好，在實(shí)際運(yùn)用中，距離不能太大，如果距離較大時(shí)還需增大紅外管的發(fā)射電流，或?qū)讉€(gè)紅外發(fā)射管串聯(lián)發(fā)射等，增強(qiáng)紅外發(fā)射光的方法來(lái)解決；也可以使幾個(gè)紅外接收管并聯(lián)接收，以提高接收的靈敏度。

6.結(jié)論

本設(shè)計(jì)的紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表實(shí)現(xiàn)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)速的功能?？梢詼?zhǔn)確的測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)體在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本小，在本設(shè)計(jì)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(yùn)行速度。

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[2]王國(guó)玉，李中顯.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作[M].科學(xué)出版社，2010.

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