直流電機測速

1、北京工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計報告（數(shù)電課設(shè)題目） 直流電機測速 班 級： 130242 學(xué) 號： 13024212 姓 名： 王栩暉 組 號： 19 2015 年 4 月一設(shè)計技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計要求（一）設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個能對直流電機運行速度進(jìn)行調(diào)速和測速的電路。（二）基本要求設(shè)計一個脈寬調(diào)速電路，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。利用光電脈沖轉(zhuǎn)換、整形、門控電路和計數(shù)電路測出直流電機的轉(zhuǎn)速，并顯示在數(shù)碼管上。要求轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分以下，越低越好。（三）擴展要求在完成基本要求的基礎(chǔ)上加光耦脈沖計數(shù)和相位判別電路，進(jìn)而識別電機的轉(zhuǎn)向，并由LED顯示轉(zhuǎn)向的正反。三設(shè)計框架方波發(fā)生器100HZ脈寬調(diào)整驅(qū)動電路脈沖整形脈沖顯

2、示電路計數(shù)器門控電路光電脈沖轉(zhuǎn)換電路直流電機測量轉(zhuǎn)向電路控制轉(zhuǎn)向電路四.設(shè)計方案選擇及方案比較 總體設(shè)計思路 由555組成的方波發(fā)生器提供驅(qū)動電機的方波，再經(jīng)由脈寬調(diào)整電路改變脈沖的寬度，從而改變直流電機的轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動電路由達(dá)林頓三極管及開關(guān)組成，達(dá)林頓三極管放大電流以驅(qū)動電機。 開關(guān)選擇雙刀雙擲開關(guān)，使得電路橋式導(dǎo)通，以達(dá)到改變電機轉(zhuǎn)向的目的。 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路有光耦組成，用來計數(shù)電機轉(zhuǎn)速，輸出的信號通過脈沖整形后輸入計數(shù)器電路。 計數(shù)器電路分為60秒計時器和轉(zhuǎn)速計數(shù)器兩部分，后面會詳細(xì)介紹。各方案比較 經(jīng)查詢資料，實驗指導(dǎo)上提示的單穩(wěn)觸發(fā)器CD14538,雙比較器LM393，整流二極管及5

3、V穩(wěn)壓二極管都不需要使用，所以實驗方案以上述方案為準(zhǔn)。五系統(tǒng)選用的元器件NE555 * 2達(dá)林頓三極管TIP122 * 1槽型光耦 * 1微型直流電機 * 174LS00 * 174LS161 * 5雙刀雙擲開關(guān) * 1 電阻，導(dǎo)線，電容 * x 主要芯片說明（1）NE555定時器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。組成的施密特觸發(fā)器可用于脈沖的整形，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于調(diào)整脈沖的寬度，多諧振蕩器可用于提供方波信號。因而NE555廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。其工作原理如下： 555電路的內(nèi)部電路方框圖如右圖所示。它含有兩個電壓

4、比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制

5、，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 如右圖為由555定時器和外接定時元件R、C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端Vo輸出低電平，當(dāng)有一個外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)Vc充電到時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上

6、的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準(zhǔn)備。波形圖如下：暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間Tw（即為延時時間）決定于外接元件R、C的大小，Tw=1.1RC 。 通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來終止暫態(tài)，重新計時。此外需用一個續(xù)流二極管與繼電器線圈并接，以防繼電器線圈反電勢損壞內(nèi)部功率管。 構(gòu)成多諧振蕩器如圖3-4，由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C

7、充電，以及C通過R2向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應(yīng)的波形如圖3-5所示。圖3-4 555構(gòu)成多諧振蕩器 圖3-5 多諧振蕩器的波形圖輸出信號的時間參數(shù)是： T=0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中，為VC由上升到所需的時間，為電容C放電所需的時間。 (2) 達(dá)林頓三極管tip122： （4）光電耦合管 光電耦合管是一個光感應(yīng)器，當(dāng)光通路被阻斷，則電流中斷，所以它可以用來對電機轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，電機每轉(zhuǎn)一圈即阻斷耦合管的光路一次，從而在光電耦合管的輸出端送出一個個脈沖，提供計數(shù)器的脈沖輸入。六系統(tǒng)各部分電路說明各單元的工作原理及工作過

8、程,公式推導(dǎo), 參數(shù)計算1.方波方生器NE555組成的多諧振蕩器，用它產(chǎn)生的方波信號帶動后面的電機轉(zhuǎn)動，3腳為輸出管腳。根據(jù)NE555組成的多諧振蕩器的性質(zhì)，由的波形可以求得電容C的充電時間和放電時間各為=2，=2故電路的振蕩周期為T=+=2，蕩頻率為f=.當(dāng)f=100Hz時，=0.0144，可令C=1f, =,則可求得=4.8k.仿真的方波周期為9.981ms，即100.2Hz。2.脈寬調(diào)整電路其是由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當(dāng)信號從2腳進(jìn)入后，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R3的阻值，可以改變脈沖的寬度，從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。根據(jù)由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的性質(zhì)，輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)

9、態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。等于電容電壓在充電過程中從0上升到所需要的時間，因此得=RC=RC3=1.1RC占空比 q= tw/T利用上式，根據(jù)電路中所需的脈寬計算出相應(yīng)的電阻電容值。本實驗中要對100Hz的脈沖進(jìn)行脈寬調(diào)整，可令 =1f,則對應(yīng)的電阻6 k即可。在此試驗中電阻為一個型號為103的電位 器，可根據(jù)直流電機的轉(zhuǎn)動情況來適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少脈寬（即調(diào)節(jié)電位器的大小）。3. 驅(qū)動控制測向電路、轉(zhuǎn)向電路此電路是用達(dá)林頓三極管驅(qū)動的，信號通過達(dá)林頓三極管，在集電極輸出，電流被放大帶動直流電機運轉(zhuǎn)。利用雙刀雙擲開關(guān)來控制電機的轉(zhuǎn)向。如下為驅(qū)動控制電路：4 .

10、光電脈沖轉(zhuǎn)換電路在直流電機的轉(zhuǎn)子上接一個小紙片，以實現(xiàn)每當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一圈時，遮擋一次光耦的接收端，使得光耦輸出產(chǎn)生高電平，加之未被遮擋時產(chǎn)生的負(fù)脈沖，整個電路的輸出實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)動一周光耦輸出一次正脈沖，其余為負(fù)脈沖。通過計時電路計60秒，可以實現(xiàn)記錄每分鐘內(nèi)產(chǎn)生正脈沖次數(shù)反映電機轉(zhuǎn)速。光耦輸出后需要進(jìn)行脈沖整形，此處我們選擇了非門整形。5.計數(shù)器電路(1) 60秒計數(shù)器該模塊電路共由兩部分電路組成。計數(shù)器部分由兩片74LS161及與非門組成。由于60秒計數(shù)器需要到60秒自動停止，所以需要鎖存信號。鎖存器由與非門及74LS20組成，鎖存信號60的十位6，即0110，所以高片的Q4、Q1需要接上與非

11、門，之后再與Q2、Q3接入四輸入與非門，實現(xiàn)當(dāng)兩計數(shù)器共同計到60秒時，產(chǎn)生一個低的信號給鎖存器。1HZ時鐘與鎖存信號通過與非門供給計時器CLK，通常鎖存信號為1，與非門輸出是1HZ時鐘高低電平的反，計時器正常工作。但是當(dāng)計時器到60時，鎖存信號變?yōu)榈?，與非門輸出變?yōu)楹愣ǖ母?，相?dāng)于計時器的時鐘被停止，計時器停止工作，實現(xiàn)到60秒，及時停止功能。計數(shù)器時鐘接到數(shù)電實驗箱上的1HZ脈沖信號上，以實現(xiàn)一秒一個信號，按秒計時。 由于74LS161為十六進(jìn)制的芯片，而我們需要十進(jìn)制，所以每個數(shù)位上計到10，即1010時，Q2，Q4提供一個信號經(jīng)過與非門取反后送到1管腳，是芯片清零，同時給高位芯片2管腳

12、一個信號，計數(shù)+1。（2）電機轉(zhuǎn)速計數(shù)器 由三片74LS161及74LS00組成，方法同上。輸入由經(jīng)過非門整形的光耦輸出信號提供。計數(shù)器部分總電路圖七系統(tǒng)調(diào)試1調(diào)試順序，及具體說明八實驗結(jié)果及實際連線圖九附錄1芯片管腳圖及功能表（1）NE555引腳位圖1-2 NE555接腳圖ne555的結(jié)構(gòu)圖Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出) -當(dāng)時間周期開始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的

13、結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控制) -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。多諧振蕩器電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時電路。定時電容C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）的外觸發(fā)電壓。放電端D（7腳）接在R1和R2之間。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。直接復(fù)位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復(fù)位狀態(tài)。多諧振蕩器的放電時間常數(shù)分別為tPH0.693×