学号：13481120常州大学《机电一体化系统》课程设计题目增量编码器方向判别和计数电路设计学生王春来学院机械工程学院专业班级机电131校内指导教师俞竹青专业技术职务教授校外指导老师专业技术职务二○一七年一月任务书1．设计题目增量编码器方向判别和计数电路设计2. 设计内容设计内容主要包括：查资料、总体设计、原理图、元器件选型、PCB、课程设计说明书六个部分。
课程设计的最后要求是写出课程设计说明书，把总体设计、原理图、元器件选型、PCB过程进行全面的说明，上升到一定高度。
具体设计步骤如下：2.1总体方案设计根据技术指标的功能要求，确定电路的总体构成，一般为信号拾取电路、信号处理电路、显示电路等。
2.2关键元器件选型根据技术要求和设计总体方案选择合适的元器件，以实现电路的功能。
2.3电路原理图根据设计总体方案和关键元器件的型号参数设计电路原理图。
2.4 PCB图根据电路原理图和元器件封装形式设计PCB图。
2.5 编写设计说明书把设计过程的总体设计方案、参数计算、元器件选型依据、实现的波形等内容编写成设计说明书。
增量式编码器方向判别和计数电路设计摘要：本设计电路分为电源电路、方向判别电路和计数电路。
电源电路通过变压器降压和全桥整流，将交流电压转化成单脉冲电压。
然后使用电容滤波和稳压器稳压，将电压控制在各芯片的电源电压5V。
方向判别电路由芯片AT288a芯片根据A、B两信号顺序，将增量式编码器的两相脉冲信号转化为正向和反向的脉冲信号，来作为计数电路的输入方向信号。
计数电路是将两片74LS192组合实现8位电路计数的功能。
因为正转时A相超过B相90°，反转时A相落后B相°，而且脉冲的个数与位移量成比例的关系，当对象发生变化时，对脉冲个数的计算（有方向地累加和减少）得到相应的位移，可以更好地实现闭环有效的控制。
最后将计数电路所得到的二进制转数利用74LS283和74LS46的芯片转化成BCD码在LED数码管上显示。
关键词：增量式编码器；电源电路；判别电路；计数电路；显示电路目录摘要 (Ⅱ)1绪论 (1)1.1增量式编码器简介 (1)1.2桥式整流电路简介 (3)1.3 七段数码管简介 (3)2 总体方案的设计 (6)2.1电路工作流程 (6)2.2总体方案设计 (6)3 电源电路设计 (8)3.1变压器选择 (8)3.2整流桥选择 (8)3.3稳压器AMS1117简介 (9)3.4电源电路原理图设计 (11)4方向判别电路设计 (12)4.1芯片ST288A简介 (12)4.2反相器74LS04简介 (14)4.3方向判别电路设计 (15)5 计数电路设计 (17)5.1 芯片74LS192简介 (17)5.2 增量式光电编码器计数电路设计 (19)6 显示电路设计 (21)6.1 译码器74LS48简介 (21)6.2 显示电路设计 (23)7 设计总结 (24)参考文献 (25)附录A电路原理图及PCB图 (26)附录B 元器件购买信息 (27)1.绪论1.1 增量式编码器简介增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。
1）工作原理图 1.1.1 编码器工作原理在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙（分为透明和不透明部分），在开缝码盘两边分别安装光源及光敏元件。
当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化，再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，脉冲数就等于转过的缝隙数。
将该脉冲信号送到计数器中去进行计数，从测得的数码数就能知道码盘转过的角度。
2）正反转输出脉冲信号在光电码盘上配置A 、B 双路发光二极管等电子元件组成的检测装置，检测双路A V 、B V 脉冲信号，相位相差90°。
当A 相B 相超前90°时，是正转；A 相滞后B 相90°时，是反转。
如下图所示图1.1.2 增量式编码器输出正反转波形3）编码器的精度增量式编码器的测量精度是由光栅盘的栅数决定的。
一般的，光栅盘的栅数增加到300，500，1000，则将一周分为300份，500份，1000份，光电编码器的测角精度就会分成不同的精度等级。
光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，能分辨的角度α为：n 360=α（1-1） n 1=分辨率 （1-2） 例如：码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度：352.01024360==α 4）光电编码器的应用 —角度测量。
例如：汽车驾驶模拟器，对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器；重力测量仪，采用光电编码器，把他的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。
—长度测量。
例如：计米器，利用滚轮周长来测量物体的长度和距离；拉线位移传感器，利用收卷轮周长计量物体长度距离。
—速度测量。
例如：线速度，通过跟仪表连接，测量生产线的线速度；角速度，通过编码器测量电机、转轴等的速度测量。
—位置测量。
例如：在机床方面，记忆机床各个坐标点的坐标位置，如钻床等；自动化控制方面，控制在牧歌位置进行指定动作。
如电梯、提升机等。
—同步控制，通过角速度或线速度，对传动环节进行同步控制，以达到张力控制 。
1.2 桥式整流电路简介桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。
图1.2 桥式整流电路E2为正半周时，对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成E2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压；E2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。
电路中构成E2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。
如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。
1.3 七段数码管简介数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管，区别在于八段数码管比七段数码管多一个用于显示小数点的发光二极管单元DP 其基本单元是发光二极管，驱动的方式主要分为直流驱动和动态驱动。
1）数码管的类别这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及DP（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及DP（小数点），如下图所示。
图中的8个LED 分别与上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。
图1.3.1 共阳接线图1.3.2 共阴接线2）数码管的应用：数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。
在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。
绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。
本次设计采用的是共阴极7段数码管LG5011AH图1.3.3 数码管LG511AH尺寸2.总体方案设计光电编码器计数电路由方向判别电路、计数电路和数码管显示电路组成，如图2.2所示2.1 电路工作流程图2.1 工作流程图上图是实现增量式编码器方向判别和计数电路设计所实现功能的电路工作流程图，编码器是将控制对象的机械运动转化为A、B两相的脉冲信号。
接着方向判别电路的作用是将两相的脉冲信号转化为方向的电信号，传递给计数电路，便于进行有方向地递增（递减）；最后将所得的转速数据传递给显示电路，进行显示。
2.2 总体方案设计图2.2 总体设计电源电路的作用：将220V 的交流电压转化为增量式编码器判别电路和计数电路使用的直流电源5V 。
所使用的器件是变压器、全桥整流电路、稳压器AMS1117_5和相应的滤波电容；编码器方向判别电路使用的是芯片AT288a 来实现，通过检测双路A V 、B V 脉冲信号，其相位相差90°。
当A 相B 相超前90°是正转；A 相滞后B 相90°是反转的判断方式，将A 、B 两相脉冲信号转两路正反转的电信号；计数电路利用双时钟可预置计数器74LS192以及电容电阻来组成电路。
预置数设为0110，来实现十进制的进位，方便LED 数码管的位数显示；显示电路使用加法器74LS238将计数电路传递的数据转化成0~9的二进制数，在经过74LS48译码器转化成BCD 码输入LED 数码管显示。
编码器方向判别电路和计数电路的组合使用，来实现对控制对象的闭环控制，也可是光电式编码器的计数电路来通过计算知道控制对象的位移和速度。
3.电源电路设计此电路是采用5W 变压器、整流桥整流、稳压器AMS1117等器件将220V 降压稳定为5V 。
为编码器方向判别电路和计数电路供电，3.1 变压器选择功率是分为有功功率（单位kW ）、无功功率（单位kvar ）、视在功率（单位kV A ）。
它们的关系应该是：222var K KW kVA +=。
设备负荷总量统计出来后的结果应该是有功功率，单位kW ，而变压器的单位是kV A ，也就是视在功率。
因此需要根据：功率因素有功功率视在功率=来进行转化。
基本上施工用电和小工业的功率因素为0.85，大工业用电的功率因素为0.9，本设计中选择0.85。
根据各软件的资料手册得知：74LS192最大承受电流34mA ，74ls04最大承受电流6.6mA ，ST288A 的最大电流为30mA 。
因此电源输入的电流：6.138306.6234=++⨯ 取200mA（3-1）各元件的电源为5V ，所以AMS1117_5输出的稳压电压为5V ，则有功功率为：5 × 0.2 = 1w（3-2）取功率因数为0.85，根据公式计算得：1 ÷ 0.85 = 1.18 V A（3-3）所以取变压器5w3.2 整流桥选择选择的整流桥是：RS207由下表得知：整流桥最大正向整流电流为2A ，浪涌峰值电流是50A ，最大反向峰值电压(VRRM)为1000V等参数都满足要求。
表3.2 RS207参数表3.3 稳压器AMS1117简介各元件的Vcc范围都在5V左右，因此选择电源电路的输出电压是5V，选择的稳压器件是AMS1117_5。
AMS1117是一个正向低压降稳压器，内部集成过热保护和限流电路,是电池供电很好的选择。
固定输出电压为 1.5V、 1.8V、 2.5V、 2.85V、3.0V、3.3V、5.0V和可调版本，具有1％的精度。