直流電機轉(zhuǎn)速檢測與脈寬調(diào)速器的設(shè)計

課程設(shè)計說明書第PAGEII頁直流電機轉(zhuǎn)速檢測與脈寬調(diào)速器的設(shè)計摘要本課題是利用電子技術(shù)知識設(shè)計制作一個直流電動機轉(zhuǎn)速檢測電路和脈寬調(diào)速調(diào)速器，使其工作頻率和占空比均可調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍為3-5KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為30-70%，選用額定電壓為12V額定電流為0.5A的小直流電機，根據(jù)其要求，使用555芯片設(shè)計出PWM脈沖寬度調(diào)速電路，使之推動直流電動機工作，利用霍爾傳感器來測試電機的轉(zhuǎn)速，并用CD4518十進(jìn)制計時器和CD4511譯碼器組成數(shù)碼管顯示電路，以顯示電動機每秒所轉(zhuǎn)的圈數(shù)。關(guān)鍵詞：555芯片，霍爾傳感器，調(diào)速器，CD4511，CD4518目錄1緒論 31.1課題描述 31.2基本工作原理及框圖 32相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計 42.1555電路 42.1.1555電路的功能特性 42.1.2555電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能表 52.2CD4511芯片 62.3CD4518芯片 62.3.180C51芯片的介紹及引腳圖 62.3.2CD4518功能 72.4主要電路的電路圖及原理 82.4.1PWM信號產(chǎn)生電路 82.4.2電機驅(qū)動電路 102.4.3轉(zhuǎn)速檢測電路與信號整形放大電路 102.4.4脈沖輸出電路 112.4.5計數(shù)顯示電路 122.4.6總體電路圖 12總結(jié) 14致謝 15參考文獻(xiàn) 16課程設(shè)計說明書第17頁1緒論1.1課題描述目前直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，直流調(diào)速的轉(zhuǎn)速比更大，可在全部的調(diào)速范圍內(nèi)都能獲得良好的轉(zhuǎn)矩特性。放眼望去，交流電機占據(jù)了傳動應(yīng)用的絕大多數(shù)地盤，大有取代直流電機的趨勢，但實際在許多場合人們?nèi)栽谑褂弥绷髡{(diào)速。交流電機結(jié)構(gòu)比直流電機簡單，便于維護(hù)，價格低。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速的性能越來越接近直流調(diào)速，因而人們更愿意使用交流變頻調(diào)速。眾所周知，許多科學(xué)實驗都離不開電，并且在這些實驗中經(jīng)常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求，.全數(shù)字直流調(diào)速裝置，采用8位單片微機技術(shù)，性能優(yōu)良，運行可靠，并且具極高的性能價格比.

設(shè)計方案的提出，更進(jìn)一步說明了這類電機的好處直流電機產(chǎn)品是工業(yè)自動化，家庭現(xiàn)代化等各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用不可缺少的基礎(chǔ)產(chǎn)品，與其它類型的電機相比，它具有良好的起動性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟地調(diào)速，過載能力較強，熱動和制動轉(zhuǎn)矩較大，因此直流電動機在起動和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上廣泛地被應(yīng)用。隨著人們生活水平迅速提高，對視聽設(shè)備品質(zhì)要求也在不斷提高，這類產(chǎn)品為小功率直流電機提供了廣闊市場，因此高精度控制直流電機轉(zhuǎn)速成為發(fā)展的必然趨勢。電動機的轉(zhuǎn)速是一個較為重要的運行參數(shù)，也有很多種用于測量轉(zhuǎn)速的儀表，如：機械軟軸式轉(zhuǎn)速表、頻率-電壓轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)速表、數(shù)字式轉(zhuǎn)速表等，它們中間有的成本很高而且精度較差、有的工藝復(fù)雜而且可靠性不高。本文介紹了一種利用霍爾傳感器制與十進(jìn)制計時器組成的智能轉(zhuǎn)速表，不僅精度高、工藝簡單、線路簡潔，而且可靠性高、功能強，可以對電機進(jìn)行大范圍速度檢測。1.2基本工作原理及框圖本課程設(shè)計設(shè)計的直流電動機轉(zhuǎn)速檢查和PWM調(diào)速器電路由轉(zhuǎn)速檢測電路、脈沖輸出電路、計數(shù)顯示電路、PWM信號產(chǎn)生和放大電路、電機驅(qū)動電路構(gòu)成。其基本工作原理框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速檢測電路PWM信號產(chǎn)生電路電機驅(qū)動電路信號整形放大電路計數(shù)顯示電路脈沖輸出電路圖1基本工作原理框圖2相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計2.1555電路555集成定時器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。它是由上、下兩個電壓比較器、三個5kΩ電阻、一個RS觸發(fā)器、一個放電三極管

T以及功率輸出級組成。外加電阻、電容可以組成性能穩(wěn)定而精確的多諧振蕩器、單穩(wěn)電路、施密特觸發(fā)器等，應(yīng)用十分廣泛。

2.1.1555電路的功能特性555定時器的外引線排列圖和內(nèi)部原理圖如圖2、圖3所示，功能見表1所示。它是由上、下兩個電壓比較器、三個5kΩ電阻、一個RS觸發(fā)器、一個放電三極管

T以及功率輸出級組成。比較器

C1的反相輸入端⑤接到由三個5

kΩ電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)的2/3Vcc處（⑤也稱控制電壓端），同相輸入端⑥為閥值電壓輸入端。比較器C2的同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的1/3Vcc處，反相輸入端②為觸發(fā)電壓輸入端，用來啟動電路。兩個比較器的輸出端控制RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器設(shè)置有復(fù)位端RD④，當(dāng)復(fù)位端處干低電平時，輸出③為低電平?？刂齐妷憾刷菔潜容^器C1的基準(zhǔn)電壓端，通過外接元件或電壓源可改變控制端的電壓值，即可改變比較器C1、C2的參考電壓。不用時可將它與地之間接一個O．01μF的電容，以防止干擾電壓引入。555的電源電壓范圍是+4.5～+18V，輸出電流可達(dá)100～200mA，能直接驅(qū)動小型電機、繼電器和低阻抗揚聲器

。VVCCCTTHVC555GNDTLOUTRD87651234圖2555電路引腳圖2.1.2555電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能表VCCRVCCR5KΩVC+G1TH_C1＆5KΩG3G4UOTL-+5KΩG2RDVTRC1C2＆＆＆＆圖3555電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)表1555芯片功能表TLTH復(fù)位放電端輸出TL>>H導(dǎo)通L><H保持保持 <<H截止HXXL導(dǎo)通L2.2CD4511芯片CD4511

是一片

CMOS

BCD—鎖存/7

段譯碼/驅(qū)動器，用于驅(qū)動共陰極

LED

（數(shù)碼管）顯示器的

BCD

碼—七段碼譯碼器。其特點具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動共陰LED數(shù)碼管。

引腳功能：

DA~DD：二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端

BI：輸出消隱控制端

EL：數(shù)據(jù)鎖定控制端

LT：燈測試端

OA~OG：數(shù)據(jù)輸出端圖4CD4511引腳圖2.3CD4518芯片2.3.180C51芯片的介紹及引腳圖CD4518是一個雙BCD同步十進(jìn)制加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器組成。

CD4518引腳功能(管腳功能)如下：

CLR、CLK：時鐘輸入端。

RCO：清除端。

ENT、ENP：計數(shù)允許控制端。

QA～QD：計數(shù)器輸出端。

A～D：計數(shù)器輸入端。

圖5CD4518引腳圖2.3.2CD4518功能CD4518是一個同步加計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進(jìn)制計數(shù)器，其功能引腳分別為1～7和9～{15}.該CD4518計數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號輸出（3腳～6腳；{11}腳～{14}腳）。

CD4518控制功能：CD4518有兩個時鐘輸入端CP和EN,若用時鐘上升沿觸發(fā),信號由CP輸入,此時EN端為高電平（1）,若用時鐘下降沿觸發(fā),信號由EN輸入,此時CP端為低噸平（0）,同時復(fù)位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時,電路才會處于計數(shù)狀態(tài).否則沒辦法工作。表2CD4518功能表輸入輸出CP101X11XCR0000001EN1X0XQ1~Q4計數(shù)計數(shù)保持保持保持保持復(fù)位2.4主要電路的電路圖及原理2.4.1PWM信號產(chǎn)生電路電路圖如5-0所示。對C2進(jìn)行充電時，充電電流通過R1，D1,RW2，RW2;放電時通過RW1，D2，R2。當(dāng)RW1不變，調(diào)節(jié)RW2，僅改變占空比，對頻率無影響。當(dāng)RW2不變，調(diào)節(jié) RW1，僅頻率改變，占空比不變。由仿真波形可以計算出占空比可調(diào)范圍為30%~60%最大調(diào)節(jié)頻率Fmax=（1）最小調(diào)節(jié)頻率Fmax=（2）圖6占空比與頻率均可調(diào)的PWM信號產(chǎn)生電路圖7占空比仿真圖圖8頻率調(diào)節(jié)仿真圖2.4.2電機驅(qū)動電路驅(qū)動電路主要為直流電機提供合適的電壓值，使電機正常運轉(zhuǎn)。本驅(qū)動電路采用ME194模擬乘法器作為主要放大電路，使PWM信號幅值由5V放大到12V。圖9電機驅(qū)動電路圖10電機驅(qū)動電路仿真圖2.4.3轉(zhuǎn)速檢測電路與信號整形放大電路UGN3110U是一種開關(guān)型霍爾集成傳感器，正常輸出是為高電平，當(dāng)有磁場感應(yīng)時為低電平，磁場消失后又恢復(fù)為高電平輸出。本次直流電機轉(zhuǎn)速檢測電路就是由UGN3110U組成的。在被測轉(zhuǎn)速機械的旋轉(zhuǎn)部位粘貼一小塊磁性材料，這樣便和UGN3110U組成了轉(zhuǎn)速傳感器。每當(dāng)隨機械轉(zhuǎn)動的部位靠近UGN3110U時，它便會向外輸出一個脈沖信號，這樣通過在單位時間內(nèi)檢測脈沖個數(shù)就可以得到電機的速度，達(dá)到測速的目的。由于傳感器輸出的波形可能出現(xiàn)部分失真，因此增加一級由555電路組成的信號整形電路，以提高傳感器輸出的波形質(zhì)量。2.4.4脈沖輸出電路脈沖輸出電路主要為計數(shù)顯示電路提供計時脈沖，這樣就可以統(tǒng)計單位時間內(nèi)霍爾傳感器輸出的脈沖個數(shù)。脈沖輸出頻率F=（3）CPCP圖11脈沖輸出電路圖12脈沖輸出電路仿真圖2.4.5計數(shù)顯示電路該部分電路由閘門電路，計數(shù)電路，時鐘電路，顯示電路組成。根據(jù)實驗室現(xiàn)有資源，閘門電路采用74HC00D與非門構(gòu)成，通過一級輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號對另一級的被測信號進(jìn)行周期比較通過；計數(shù)電路采用CD4518十進(jìn)制計數(shù)器，該計數(shù)器集成塊中包括兩個計數(shù)單元，一個計數(shù)單元對應(yīng)十位數(shù)，另一個計數(shù)單元對應(yīng)個位數(shù)；時鐘脈沖輸出電路產(chǎn)生2Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，在通過CD4518時對其進(jìn)行兩次2分頻得到0.5Hz的時基信號。顯示電路采用CD4511，該芯片驅(qū)動BCD-7段數(shù)碼管，將計數(shù)的到的數(shù)值轉(zhuǎn)換后送給數(shù)碼管進(jìn)行顯示。電路如圖13所示。圖13計數(shù)顯示電路2.4.6總體電路圖調(diào)節(jié)PWM的脈沖寬度即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，數(shù)碼管的數(shù)值就會發(fā)生相應(yīng)的改變，其總體電路圖如圖14所示。當(dāng)用50Hz的時鐘脈沖信號代替霍爾傳感器的輸出信號進(jìn)行仿真時，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為50，即直流電機的轉(zhuǎn)速為50圈/秒。圖14總電路圖

總結(jié)在整個畢業(yè)論文設(shè)計過程中，我主要圍繞555電路、霍爾傳感器以及CD4518十進(jìn)制計數(shù)器功能特點來設(shè)計電路，從方案的制定到電路圖的繪制我都經(jīng)過反復(fù)的思考，并且查看了很多的參考書籍和參考資料，以及得到了指導(dǎo)老師的從旁指導(dǎo)和大力支持。在本次畢業(yè)設(shè)計中，我進(jìn)一步加強了自己的動手能力和應(yīng)用專業(yè)知識的能力，從中學(xué)習(xí)到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方向去設(shè)計方案，特別是深刻了解到