直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)與脈寬調(diào)速器設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第PAGEV頁(yè)程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2015—2016學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：）學(xué)號(hào)：姓名：課程設(shè)計(jì)名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)與脈寬調(diào)速器的設(shè)計(jì)完成期限：自2016年6月13日至2016年6月26日共2周一、設(shè)計(jì)依據(jù)本課題要求利用電子技術(shù)知識(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢查和PWM調(diào)速器。電路由轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、脈沖輸出電路、計(jì)數(shù)顯示電路、PWM信號(hào)產(chǎn)生和放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。通過(guò)本課題練習(xí)，學(xué)生的綜合知識(shí)應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力將有較大提高，對(duì)今后從事電子產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)維修等打下基礎(chǔ)。二、主要內(nèi)容及要求主要內(nèi)容：1、給出詳細(xì)的總體設(shè)計(jì)方案；2、完成各部分具體功能電路設(shè)計(jì)，主要包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、脈沖輸出電路、計(jì)數(shù)顯示電路、PWM信號(hào)產(chǎn)生和放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；3、給出正確的電路圖，仿真、調(diào)試驗(yàn)證各部分設(shè)計(jì)的正確性；4、整理設(shè)計(jì)成果，完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)。要求采用霍爾傳感器完成電機(jī)速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)；通過(guò)PMW速度調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具體設(shè)計(jì)一個(gè)多諧振蕩器，頻率調(diào)節(jié)范圍為3~5KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為30~70%，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)功率放大器，使之推動(dòng)直流電機(jī)工作，速度顯示電路采用LED實(shí)現(xiàn)。三、途徑和方法利用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢查和PWM調(diào)速器，可以先查閱相關(guān)資料（網(wǎng)上查找或參考相關(guān)書(shū)籍手冊(cè)），明確課題的方向和目的，然后學(xué)習(xí)完成課題所需的理論知識(shí)，了解霍爾傳感器、555觸動(dòng)電路、十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路、LED顯示電路、PWM信號(hào)產(chǎn)生和放大電路及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作原理；在理解的基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)電路方案，設(shè)計(jì)電路，畫(huà)出原理圖及PCB印制版圖，最后提交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。四、時(shí)間安排課題講解：2小時(shí)閱讀資料：10小時(shí)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：12小時(shí)修訂設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：6小時(shí)五、主要參考資料[1]孫麗霞.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006:174-196.[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社,2007:40-92.[3]高吉祥.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程-基本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:24-57.[4]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005（1）:43-66.[5]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,2002(12):37-228.[6]陳永甫.新編555集成電路應(yīng)用800例[M].北京:電子工業(yè)出版,2000:80-130.[7]蕭寶瑾.protel99SE操作指導(dǎo)與電路設(shè)計(jì)實(shí)例（第一版）[M].太原：太原理工大學(xué)，2004：198-230.[8]張義申，陸坤.電子設(shè)計(jì)技術(shù)[M].西安:電子科技大學(xué)出版,1996:48-62.指導(dǎo)教師（簽字）：教研室主任（簽字）：批準(zhǔn)日期：年月日

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)與脈寬調(diào)速器的設(shè)計(jì)摘要本課題是利用電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和PWM調(diào)制器。采用霍爾傳感器完成電機(jī)速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。脈寬調(diào)速是利用改變脈沖寬度的方法實(shí)現(xiàn)脈沖占空比的變化，用以改變輸出直流電壓的平均值，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。整體電路由轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、脈沖輸出電路、計(jì)數(shù)顯示電路、PWM信號(hào)產(chǎn)生和放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。使多諧振蕩器的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%。關(guān)鍵詞：PWM，轉(zhuǎn)速檢測(cè)，功率放大，數(shù)碼管顯示，霍爾傳感器

目錄1緒論 11.1課題描述 11.2基本工作原理及框圖 12相關(guān)器件及芯片的介紹 22.1霍爾傳感器 22.1.1霍爾傳感器A3144E的特性 22.1.2霍爾開(kāi)關(guān)傳感器電路 22.1.3霍爾傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 22.2相關(guān)芯片介紹 32.2.1NE555的相關(guān)介紹 32.2.2LM386的相關(guān)介紹 42.2.3CD4511芯片 52.2.474H373的介紹 52.2.574LS192的介紹 63單元電路設(shè)計(jì) 63.1穩(wěn)壓電路 63.2多諧振蕩電路 73.3功率放大器 93.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 93.5檢測(cè)電路 103.6脈沖輸出電路 103.7脈沖計(jì)數(shù)顯示電路 114總電路圖仿真分析 12總結(jié) 13致謝 14參考文獻(xiàn) 15課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第14頁(yè)1緒論1.1課題描述隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。目前，工業(yè)上對(duì)直流調(diào)速的要求更高，轉(zhuǎn)速比更大?？稍谌康恼{(diào)速范圍內(nèi)獲得良好的轉(zhuǎn)矩特性?，F(xiàn)在的社會(huì)發(fā)展中，交流電占據(jù)著重要的地位。但是，在很多地方直流電還是非常重要的。如今，單片機(jī)的應(yīng)用也是非常的廣泛，但是，由于單片機(jī)的軟件編程有些繁瑣，所以，我們采用LED數(shù)碼管來(lái)顯示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣成本低，操作簡(jiǎn)單，易于維修。同時(shí)可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行大范圍速度的控制和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。1.2基本工作原理及框圖本課程設(shè)計(jì)的是直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和PWM調(diào)速器。其中很重要的一部分是調(diào)速電路，此次采用的是脈寬PWM法，PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電子技術(shù)廣泛應(yīng)用的控制方法。也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想無(wú)諧振軟件開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。圖1基本工作原理框圖采用控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的寬脈加在其有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該理論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，這樣，通過(guò)外在的顯示電路進(jìn)行顯示轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到測(cè)速的結(jié)果。基本工作原理框圖如圖1所示。2相關(guān)器件及芯片的介紹2.1霍爾傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體元件制成的元件叫霍爾元件?；魻杺鞲衅骶哂徐`敏、可靠、體積小、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。綜合了電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)的要求。利用霍爾效應(yīng)制作的傳感器叫做霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器。2.1.1霍爾傳感器A3144E的特性A3144E系列單極高溫霍爾效應(yīng)集成傳感器是由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路。其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓訊號(hào)。它是單磁極工作的磁敏電路?？捎糜谄嚬I(yè)和軍工業(yè)方面。霍爾元件及磁鋼的圖形如圖2所示。圖2霍爾元件和磁鋼2.1.2霍爾開(kāi)關(guān)傳感器電路A44E的介紹及引腳圖霍爾開(kāi)關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路。由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。傳感器電路如圖3所示。圖3傳感器電路2.2相關(guān)芯片介紹2.2.1NE555的相關(guān)介紹NE555的8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為5～18V，以UCC表示；從分壓器上看出，上比較器6腳A1的５腳接在R1和R2之間，所以5腳的電壓固定在2/3VCC上；下比較器A2接在R2與R3之間，A2的同相輸入端電位被固定在1/3VCC上。NE555的功能如表1所示。表1NE555的功能觸發(fā)閥值復(fù)位IS放電端輸出>1/3Vcc>2/3VccH導(dǎo)通L>1/3Vcc<2/3VccH原狀態(tài)<1/3Vcc/H截止H//L導(dǎo)通L555集成電路開(kāi)始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做555定時(shí)器或555時(shí)基電路。但隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，555集成電路不僅可以進(jìn)行定時(shí)，還可以用于調(diào)光、調(diào)速、調(diào)溫、調(diào)溫等功能。此外，還可以組成脈沖震蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源，電源變換，脈沖調(diào)劑等。由于工作穩(wěn)定，使用方便，價(jià)格便宜，目前廣泛應(yīng)用與電子產(chǎn)品中。555集成電路中有幾十個(gè)元器件，由基本RS觸發(fā)器、分壓器、比較器等。且電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖5所示[1]。圖5555集成電路內(nèi)部電路圖比較器C1和C2各有一個(gè)輸入端連接三個(gè)電阻R組成的分壓器上，比較器輸出段接RS觸發(fā)器上。此外，輸出級(jí)和放電管。比較器C1和C2的參考電壓分別為Ua和Ub，根據(jù)C1和C2的另一個(gè)輸入端——觸發(fā)輸入和閥值輸入，可判斷出RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。當(dāng)復(fù)位端為低電平時(shí)，RS觸發(fā)器被強(qiáng)制復(fù)位，若無(wú)需復(fù)位操作，復(fù)位端應(yīng)該接高電平[3]。NE555的應(yīng)用非常廣泛，可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩電路。本次課程設(shè)計(jì)主要用到NE555的多諧振蕩電路。主要應(yīng)用如圖6所示。圖6NE555的應(yīng)用2.2.2LM386的相關(guān)介紹LM386是美國(guó)一個(gè)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成電路中的一種，因其有功耗低，工作電源電壓范圍比較寬，外圍元器件比較少，裝置調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。故廣泛應(yīng)用與通信設(shè)備、錄音機(jī)等各類電子產(chǎn)品中，其具體參數(shù)如下；工作電壓4～12V，靜態(tài)電流4mA，輸出功率600Mw,電壓增益46dB，帶寬300KHZ，諧波失真0.2%，輸入阻抗50K，輸入偏執(zhí)電流250mA。電路增益可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。LM386的管腳分布如圖7所示。圖7LM386管腳分布2.2.3CD4511芯片CD4511是一片CMOS

BCD-鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED

(數(shù)碼管)顯示器的BCD碼-七段碼譯碼器。511引腳圖2.6.2

CD4511功能特性BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損壞。LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。.主要電路的電路圖及原理2.7.1

PWM產(chǎn)生電路我們采取NE555作為PWM發(fā)生器，通過(guò)改變可調(diào)電阻的大小來(lái)改變占空比，從而達(dá)到調(diào)速目的。電路圖8所示[3]。圖8CD4511管腳分布圖2.2.474H373的介紹74H373是8位數(shù)據(jù)鎖存器，主要用于數(shù)碼管、按鍵等等的控制。引腳分布如圖9所示。圖974H373引腳分布2.2.574LS192的介紹74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列如圖10所示。圖1074LS192管腳分布3單元電路設(shè)計(jì)3.1穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是電子產(chǎn)品研究和生產(chǎn)使用中必不可少的成分，一般輸出的都是0～15V的電壓。本課題需要5V的直流電源進(jìn)行供電。該系統(tǒng)電路由電源變壓器，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路四部分組成。流程圖如圖11所示。整流電路：利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，把方向和大小都變化?0Hz交流電變換為方向不變但大小仍有的脈動(dòng)直流電壓。濾波電路：利用儲(chǔ)能元件電容器C兩端的電壓不能突變的性質(zhì)，把電容C與整流電路的負(fù)載RL并聯(lián)（或串聯(lián)），就可以將整流電路輸出中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電。穩(wěn)壓電路：當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化。因此，穩(wěn)壓電路的作用是使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。穩(wěn)壓電路如圖12所示[4]。圖11穩(wěn)壓電路流程圖圖12LM371穩(wěn)壓電路3.2多諧振蕩電路多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，它是接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，電路狀態(tài)總能夠自動(dòng)的不斷變換，產(chǎn)生矩形波的輸出，由于矩形波中的諧波分量很多，因此，這種振蕩器又稱為多諧振蕩器。多諧振蕩電路又是PWM信號(hào)輸出電路。圖13555多諧振蕩電路圖圖14555多諧振蕩器仿真波形振蕩周期：(1)其中，RA=R1+Rwm/n，RB=R2+Rw(n-m)/n。振蕩頻率：(2)占空比：（3）占空比可調(diào)電路如圖13所示。其仿真波形如圖14所示。由于二極管的引導(dǎo)作用，電容C的充電時(shí)間常數(shù)t1=R1C,放電時(shí)間常數(shù)t2=R2C，通過(guò)以上計(jì)算分析(4)(5)占空比：(6)只要改變電位器滑動(dòng)端的位置，就可以方便的調(diào)節(jié)占空比q，當(dāng)R1=R2時(shí)，q=0.5，uo就成為對(duì)稱的矩形波[3]。3.3功率放大器集成電路按照其功能，可以分成模擬集成電路和數(shù)字集成電路，本課題為了實(shí)現(xiàn)功率的放大采用LM386。LM386是一種模擬集成電路，它具有功率放大的功能，其外形封裝為雙列直插式，屬塑封類集成電路。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(jí)由555電路組成的信號(hào)整形電路，以提高傳感器輸出的波形質(zhì)量[4]。3.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主要為直流電機(jī)提供合適的電壓值，使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本驅(qū)動(dòng)電路采用ME194模擬乘法器作為主要放大電路，使PWM信號(hào)幅值由5V放大到12V。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖15所示。圖15直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.5檢測(cè)電路我們采用A44E開(kāi)關(guān)霍爾傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)，原理是：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，A44E向外輸出一個(gè)脈沖，這樣通過(guò)在單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)脈沖個(gè)數(shù)就可以等到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到測(cè)速的目的。3.6脈沖輸出電路脈沖輸出電路主要為計(jì)數(shù)顯示電路提供計(jì)時(shí)脈沖，這樣就可以統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)霍爾傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。脈沖輸出信號(hào)電路如圖16所示。脈沖輸出頻率：F=（7）CPCP圖16脈沖輸出電路3.7脈沖計(jì)數(shù)顯示電路該部分電路包括閘門(mén)電路、計(jì)數(shù)電路、時(shí)鐘電路、顯示電路。根據(jù)現(xiàn)有的資源，運(yùn)用74LS161，74LS373,4511及相應(yīng)的門(mén)電路。閘門(mén)電路通過(guò)與非門(mén)一級(jí)輸入的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)對(duì)另一極的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行周期通過(guò)，計(jì)數(shù)器集成塊包括兩個(gè)計(jì)數(shù)單元，時(shí)鐘電路產(chǎn)生2HZ的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，顯示電路采用4511，用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。電路圖如圖17所示。圖17脈沖計(jì)數(shù)管顯示電路4總電路圖仿真分析總電路圖由脈沖輸出電路提供計(jì)時(shí)脈沖，然后由NE555多諧振蕩電路提供PWM信號(hào)，由于多諧振蕩電路頻率及占空比可調(diào)，所以可以進(jìn)行調(diào)速。由于555多諧振蕩電路輸出信號(hào)不太穩(wěn)定或是功率太小，所以用功率放大電路對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行放大，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，之后由檢測(cè)電路進(jìn)行檢測(cè)，最后通過(guò)整形電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形，最終輸入脈沖計(jì)時(shí)電路，和計(jì)時(shí)脈沖一起驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)時(shí)電路，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，A44E向外輸出一個(gè)脈沖，這樣通過(guò)在單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)脈