基于透射式齿轮盘的模型车用脉冲 amp电压测速装置.docx

1、基于透射式齿轮盘的模型车用脉冲 amp电压测速装置基于透射式齿轮盘的模型车用脉冲&电压测速装置/.paper.edu - 1 -基于透射式齿轮盘的模型车用脉冲&电压测速装置 王换换 1，韩毅 2，汪贵平 1 1长安大学电控学院，西安（710064） 2长安大学汽车学院，西安(710064) 摘 要：本文设计了一种采用透射式齿轮盘的电机测速装置。本设计采用槽型光电传感器配合自制的透射式齿轮码盘，产生数字脉冲信号；同时采用频率-电压转换芯片 LM2907 可将脉冲信号转化为电压信号。此装置应用于模型车上，不仅可以实现脉冲测速，还可实现电压测速。具有结构简单，安装方便，检测方式多样，

2、检测精度高等特点。 关键词：模型车；电机测速；透射式齿轮盘；频率-电压转换； 1. 引言 在研究模型车的领域，很多时候都需要测量模型车的速度。在模型车测速方面，目前用的比较多是是采取反射式码盘测速和使用集成的编码器测速1。反射式码盘测速主要是利用红外管对黑白两种颜色的敏感度进行检测的，结构简单，安装方便，但是在模型车在高速运行时，容易出现信号迷失，而且当码盘表面有污损时也容易导致测速不准。编码器测速准确，但价格比较昂贵。本文设计了一种透射式的测速方法，采用自制码盘，传感器利用码盘中的间隙得到信号，不容易出现信号缺失现象。而且使用者可根据自己的需要来选择是要获得脉冲信号还是电压信号，有助于在程序

3、中实现对速度的灵活控制。 2. 硬件设计 本设计的电路可以分为两部分，第一部分是获得脉冲信号，即脉冲检测电路，第二部分是利用第一部分电路得到的脉冲信号进行频率-电压转换，得到电压信号。第一部分电路采用了 EE-SX1101 槽型光电传感器配合自制的 36 齿的透射式码盘，如图 1 所示。将码盘安装在电机的输出轴上。EE-SX1101 的发射端发出的红外光经码盘的间隙到达接收端，当码盘跟随电机轴转动时，接收端便以一定的频率接收到红外光。将接收端的信号输入由 555 组成的施密特触发器2，就可以得到与转速对应的脉冲信号，此信号可以直接输入单片机，也可将此脉冲信号接入由频率-电压转换芯片 LM290

4、7 组成的转换电路3，转换后可得到与转速对应的电压信号，再输入单片机进行控制。 图 1 自制码盘结构示意图 /.paper.edu - 2 -2.1 脉冲信号检测电路的设计 由 555 构成的脉冲检测电路如图 2 所示，当电机转动时，EE-SX1101 的接收端就接收到频率一定的信号，此信号接近正弦波，且频率与电机转速有关。将此信号（OUT）输入 555定时器的 2 脚，经 555 构成的施密特触发器整形后可得到相同频率下的脉冲信号 OUT1。由施密特触发器的基本原理可知，其阈值电压为 2*VCC/3 和 VCC/3，进入定时器 555 引脚 2的信号必须保证最大值要大于 2*VCC/3，最小

5、值要小于 VCC/3，这样才能进行信号整形。根据光电管的特性可知，调节电阻 R1 和 R2 的大小，可以调节输出电压的大小，因此我们调节 R1=1K，R2=10K，来满足阈值电压的要求。此部分的波形检测图如图 3 所示。 图 2 脉冲信号检测电路 图 3 脉冲电路波形检测图 2.2 频率-电压转换电路的设计 在得到脉冲信号 OUT1 后，可将其输入频率-电压转换电路。由 LM2907 构成的频率-电压转换电路原理如图 4 所示4。LM2907 是一个集成的频率-电压转换芯片，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号。为了使此转换电路能够得到与输入频率有关的输

6、出电压，必须要提高参考电压端（LM2907 的 11 脚）的电压，本电路通过一个电阻网络分压得到，如图 2，通过 R5=R6=50K，将其提高到 2.5V。 同时为了使电路获得更佳的性能，要仔细选取电阻 R3 和电容 C2 的值5。由于 LM2907引脚 3 的输出电流是内部固定的，因此 VOUT2R3 值必须小于或等于此固定值。如果 R3太大，将会影响引脚 3 的输出阻抗，频率电压转换的线性度也会变差。因此有 IVR OUT 23 /.paper.edu - 3 - 在实际运行中测得 VOUT2 值最大为 3.65V，I=156A，故 KR 4.2315665.33 = 选择 R3=51K。

7、 定时电容 C2 为充电泵提供内部补偿，其值应大于 500PF，太小的电容值会在 R3 上产生误差电流，特别在低温应用时更是如此。 1322OUTCCMAXOUTFVRVC = 在小车全速运行时测得 OUT1 脚的最大输入频率约为 600HZ，因此经计算可选择C2=33nF。 此外，还要考虑输出纹波电压的影响，引脚 3 的纹波（VRIPPLE）可用下式计算： )1(2 22132ICFVCCVV OUTCCCCRIPPLE?= 由于齿轮盘的齿数为 36，小车的车轮直径是 51mm。设小车运行时允许的速度偏差为0.05m/s，则 HzFOUT 24.1114.336051.005.01 = 将该

8、频率转化为电压值： VCRVFV CCOUT 1.0231 = 故 uFVCVC CC 25.8223 = 因此选择 C3=10F。 图 4 频率-电压转换电路 3. 软件设计 本设计的软件部分包含两个方面，一是对脉冲信号的获取，另外一个是对电压信号的获取。 3.1 脉冲信号获取的软件部分 /.paper.edu - 4 -设自制码盘的间隙数为 N，这样车轮每转过一周检测到 N 个脉冲，然后将此信号（原理图中 OUT1）引入到单片机 MC9S12DG128 的输入捕捉引脚，设置单片机以中断方式运行，记录两次中断之间的时间 T 以及这两次中断之间读取的信号数目 n。测得车轮转过一圈的行驶距离为

9、0.17m，则每捕捉到一个信号，小车前进的路程为： Nl /17.0= 则小车行驶的速度为： )/()17.0( TNnSpeed = 上述公式只是一种理想的情况，它要求码盘的 N 个间隙均匀分布，同时每个间隙对应的弧度脚也要相同，但实际上自制的码盘很难满足这个条件。因此在程序中我们采用了求平均的方法。即连续读取 p 个中断时间 T 内的脉冲数 m，代入下式进行计算，即可得当前小车的行驶速度。 )/()17.0( pTNmSpeed = 这样就可以有效避免由码盘间隙分布不均匀而产生的误差，但在这样做的同时增加了系统测速的滞后性。经过测量，这种滞后在车末调速过程中是可以忍受的，因此可忽略不计。

10、3.2 电压信号获取的软件部分 此部分比较简单，直接将测速模块输出的电压信号OUT2接入单片机的A/9D口（通道 5），直接读取 A/D 转换结果即可得到电压的数字量。此部分源代码如下1： void ini_AD (void) /初始化 ATD0CTL2=0xC0; /AD 模块上电, 快速清零, 无等待模式, 禁止外部触发, 中断禁止 ATD0CTL3=0x20; / 每个序列 2 次转换, No FIFO, Freeze 模式下继续转换 ATD0CTL4=0x81; / 8 位精度 ATD0CTL5=0xA5; /右对齐无符号，单通道采样，通道 5 ATD0DIEN=0x00; / 禁止数

11、字输入 Get_speedv () ini_AD(); while(ATD0CTL2_ASCIE = 1); /采用查询方式 while(!ATD0STAT1_CCF0); /等待通道 0 转换结束 speedv= ATD0DR0; /读通道 0 的转换结果,获得电压的数字量 4. 结束语 本设计可以根据系统地功能要求自主地选择测速结果，即脉冲或电压，适合应用于MC9S12DG128 控制的小车模，若要应用于其它单片机控制的系统，则只需更改相应的软件即可，操作方便。制作后的测速模块实物安装图见图 5。 /.paper.edu - 5 - 图 5 测速模块实物安装图 本文所设计的测速装置主要有以

12、下特点： （1） 本设计采用自制的带有均匀分布间隙的齿轮盘，测速准确，不易出现信号的缺失，保证了测速的可靠性。 （2） 利用传统的应用最广泛的 555 施密特触发器来完成获取脉冲信号部分的设计，通用性好。 （3） 应用频率-电压转换芯片 LM2907 实现了频率-电压的转换，有利于软件的进一步优化。 （4） 安装方便。本设计的测速齿轮盘直接安装在驱动电机转动轴的延长臂上，而测速电路板可直接固定在模型车底盘的支架上，安装比较方便。 （5） 成本低廉。硬件电路简单，只有几个器件，价格便宜，且印制电路板面积不大，成本低下。 参考文献 1 卓青,黄开胜,邵贝贝.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯M,北京:北

13、京航空航天出版社,2007,1-2. 2 康华光.电子技术基础.数字部分.4 版M,北京:高等教育出版社,2000.7 3 LM2907/LM2917 Frequency to Voltage Converter. 4 齐永利,鲁云峰,刘鸣.LM2907 频率/电压转换器原理及应用J,国外电子元器件,2005 ,5. 5 于伟光,王光勇,刘宇.基于 CCD 视频传感器的智能车路径识别控制系统. The Pulse&Voltage Speed Detection Device for Model Car Based on Transmission Disk Type Gear Wang

14、Huanhuan1, Han Yi2, Wang Guiping1 1.School of Electronic & Control Engineering, Changan, xian (710064) 2.School of Automobile, Chang'an University (710064) Abstract This paper introduces a motor speed detection device using a transmission-gear. The device uses the photoelectric sensor with

15、self-made gear transmission encoder to produce digital pulse signal; at the same time using the frequency - voltage conversion chip LM2907 to transform pulse signals into voltage signal. This device used in the model car. It not only can use the pulse to detect speed, but also can use the voltage to detect speed. Besides, the device has simple structure, diverse ways of detection, high detection accuracy and easy to install. Keywords: model car; motor speed detection; transmission-gear; frequency - voltage conversion