光電測量系統(tǒng)檢測飛輪的轉(zhuǎn)動速度和判斷正反方向

1、. 光電測量系統(tǒng)檢測飛輪的轉(zhuǎn)動速度和判斷正反方向班級; 姓名：學(xué)號：一、飛輪的轉(zhuǎn)速和方向的測量原理1.1轉(zhuǎn)速測量原理 對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的測量是基于對單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)盤上鏡面產(chǎn)生的光脈沖的計數(shù)。其基本原理如圖1所示 圖1（轉(zhuǎn)速測量原理） 發(fā)光管發(fā)出的光束照射在轉(zhuǎn)盤上，當(dāng)固定在轉(zhuǎn)盤上的反光材料經(jīng)過光束，產(chǎn)生的反射光脈沖被光電探測器接收，產(chǎn)生電脈沖信號。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的一串電脈沖信號經(jīng)放大電路和整形電路處理后送入計數(shù)電路，便可以計算出單位時間內(nèi)接收到的信號個數(shù)，即轉(zhuǎn)盤單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。示意圖如下所示（圖2）： 圖2（脈沖計數(shù)）1.2方向測量原理在飛輪轉(zhuǎn)速方向上設(shè)置兩個光電探測器，調(diào)試光路使之均能接收反射材料的反

2、射光，通過判別兩個探測器輸出電信號的初相位即可對飛輪的轉(zhuǎn)動方向作出判斷，飛輪轉(zhuǎn)動的正反方向用兩個不同顏色的LED來標示。 示意如圖3所示： 圖3（判向電路）理論上，只要判斷誰“先到”，即可判斷轉(zhuǎn)向，若左探測器超前右探測器t，為左轉(zhuǎn)，反之，右轉(zhuǎn)。1.3數(shù)據(jù)顯示原理由計數(shù)電路計下飛輪速度，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)由鎖存器輸出，顯示器件用發(fā)光二極管數(shù)碼顯示管，鎖存器輸出的信號是一組二進制數(shù)字符號，必須進行譯碼顯示，采用74LS04集成譯碼顯示芯片。送到數(shù)碼管顯示電路顯示出來，使得每一計數(shù)脈沖下降沿一來都可以對轉(zhuǎn)速進行更新，同時又可以鎖存前一脈沖所記錄的轉(zhuǎn)速。如圖4所示： 圖4（數(shù)據(jù)顯示原理圖） 綜

3、合以上的考慮，設(shè)計的飛輪轉(zhuǎn)速測量和方向判斷的設(shè)計整體圖如下所示： 圖5（飛輪轉(zhuǎn)速和方向測量光電測試系統(tǒng)）工作過程總體為：發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，由轉(zhuǎn)盤上的反光材料反射，并分別被光電探測器1和2所接收。探測器1和2進行光電轉(zhuǎn)換后，由放大器放大，送入整形電路，轉(zhuǎn)化成方波信號，分別進行計數(shù)和方向判別。電機控制電路可分檔控制電機的轉(zhuǎn)速；秒脈沖電路產(chǎn)生周期為2秒的方波信號，供計數(shù)電路計數(shù)；譯碼器和數(shù)碼管顯示電路，顯示轉(zhuǎn)動速度（r/s轉(zhuǎn)每秒）2、 飛輪的轉(zhuǎn)速和方向的測量設(shè)計2.1光電發(fā)送接收部分 光電發(fā)送接收是測量系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換部分。 根據(jù)LED和光電三極管分離的形式，采用一個紅外LED和兩個光電三極管。

4、如圖6所示，發(fā)光二極管發(fā)出紅外光經(jīng)反射材料反射被探測器1、2分別接收。 圖6（光電發(fā)送和接收系統(tǒng)） 反光材料的兩個反光面有一定夾角，LED垂直入射，當(dāng)反光材料沿逆時針方向（沿光束方向觀察）經(jīng)過探測器時，LED先直射左葉，調(diào)節(jié)探測器1接收角度使反射光垂直入射，之后LED直射右葉，調(diào)節(jié)探測器2接收角度使反射光垂直入射。對不同距離的測量，可通過調(diào)節(jié)反光材料角度和探測器接收角度來實現(xiàn)。如增大探測距離，要調(diào)小反射材料與飛輪夾角，同時保證探測器與飛輪法線夾角是反射材料與飛輪夾角的2倍。 器件選擇: 紅外發(fā)射管 AlxGa1-x As 發(fā)光二極管（940nm） 紅外接收管 Si 光電三極管（940nm） 波

5、段選擇 近紅外940nm（優(yōu)缺點如前所述） 發(fā)射強度 一定程度上，越強越好，不用考慮相應(yīng)的線性度，探測距離越遠，需將強度調(diào)得更高。 這個設(shè)計的優(yōu)點在于探測距離更長。 2.2放大電路整形部分2.2.1光電二極管偏置與放大電路圖7 圖7（光電二極管偏置與放大電路）2.2.2整形電路 用兩個非門也可以直接實現(xiàn)整形的功能，數(shù)字芯片一般都有一定的輸入門限電壓，高于門限輸出為高電平，低于門限則為低電平。使用這種方案可以使電路簡潔，且效果很好。圖8 圖8（整形電路）2.2.3方向判別電路 方向判別原理如前所示，具體電路如圖9所示，Singal1 是左探測器輸出信號，Singal2是右探測器輸出信號，若在Si

6、ngal2上升沿Singal1是高電平，管腳5為高電平，管腳6為低電平，LED1亮，LED2滅，說明飛輪在左轉(zhuǎn)；相反，若在Singal2上升沿Singal1是低電平，管腳6為高電平，管腳5為低電平，LED2亮，LED1滅，說明飛輪在左轉(zhuǎn)。 圖9（方向判別電路）2.2.4計數(shù)電路 計數(shù)電路由3片異步清零的模十74LS160計數(shù)器和3個4位寄存器組成 首先，3片74LS160通過時鐘端級聯(lián)組成模1000計數(shù)器，信號作為計數(shù)時鐘接到第一級的時鐘端，使計數(shù)器對信號脈沖進行計數(shù)。 同時，把秒脈沖接到3個計數(shù)器的使能端、清零端以及寄存器的時鐘端，控制計數(shù)器在脈沖高電平時計數(shù)，下降沿鎖存計數(shù)結(jié)果，以便輸出顯

7、示，低電平時清零計數(shù)器，以便下一個秒脈沖重新開始計數(shù)。 3、 系統(tǒng)中的改進建議 （1）改進建議一： 可以改進探測方法只用一個探測器判斷轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)方法有兩種：1、用兩個反射率不同的反射材料使探測器先后接受不同的光強信號，轉(zhuǎn)化為不同的電壓信號，然后將這兩個電壓信號通過簡單的ADC量化編碼，如01、11，輸入單片機或計算機系統(tǒng)，根據(jù)兩信號的相位關(guān)系進行判向處理。 2、可安裝3片不等間距的反射材料，用單片機或計算機系統(tǒng)判斷三個信號的相位關(guān)系和“間距長短”，然后根據(jù)“長間距”與“短間距”的“先后順序”判向。 （2）改進建議二：對于有輻條結(jié)構(gòu)或有類似鏤空結(jié)構(gòu)的飛輪，可不使用反射材料，直接利用輻條的周期性擋光來計數(shù) （3）改進建議三：在實際中反光材料容易受到外界環(huán)境的污染，其反光率和反光方向都有可能發(fā)生