直流電機(jī)測(cè)速解析

北京工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（數(shù)電課設(shè)題目） 直流電機(jī)測(cè)速班 級(jí)： 130242學(xué) 號(hào)： 13024212姓 名： 王栩暉組 號(hào)： 192015 年4 月一．設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)速和測(cè)速的電路。（二）基本要求設(shè)計(jì)一個(gè)脈寬調(diào)速電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。利用光電脈沖轉(zhuǎn)換、整形、門控電路和計(jì)數(shù)電路測(cè)出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并顯示在數(shù)碼管上。要求轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/分以下，越低越好。（三）擴(kuò)展要求在完成基本要求的基礎(chǔ)上加光耦脈沖計(jì)數(shù)和相位判別電路，進(jìn)而識(shí)別電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并由LED顯示轉(zhuǎn)向的正反。三．設(shè)計(jì)框架測(cè)量轉(zhuǎn)向電路

脈沖顯示電路方波發(fā)生器脈寬驅(qū)動(dòng)直流光電脈沖脈沖計(jì)數(shù)器100HZ電路電機(jī)轉(zhuǎn)換電路整形調(diào)整控制轉(zhuǎn)向電路

門控電路.設(shè)計(jì)方案選擇及方案比較總體設(shè)計(jì)思路由555組成的方波發(fā)生器提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路由達(dá)林頓三極管及開(kāi)關(guān)組成，達(dá)林頓三極管放大電流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。開(kāi)關(guān)選擇雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，使得電路橋式導(dǎo)通，以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)向的目的。光電脈沖轉(zhuǎn)換電路有光耦組成，用來(lái)計(jì)數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出的信號(hào)通過(guò)脈沖整形后輸入計(jì)數(shù)器電路。計(jì)數(shù)器電路分為60秒計(jì)時(shí)器和轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器兩部分，后面會(huì)詳細(xì)介紹。各方案比較經(jīng)查詢資料，實(shí)驗(yàn)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 5V穩(wěn)壓二極管都不需要使用，所以實(shí)驗(yàn)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(jī)*174LS00*174LS161*5雙刀雙擲開(kāi)關(guān)*1電阻，導(dǎo)線，電容*x主要芯片說(shuō)明（1）NE555定時(shí)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(hào)。 因而NE555廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。其工作原理如下：電路的內(nèi)部電路方框圖如右圖所示。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開(kāi)關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5KΩ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2/3VCC和1/3VCC。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò)2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于1/3VCC時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管截止。 RD是復(fù)位端，當(dāng)其為 0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開(kāi)路或接 VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出2/3VCC作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)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(shí)，將給接于腳 7的電容器提供低阻放電電路。① 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如右圖為由555定時(shí)器和外接定時(shí)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(shí) 555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開(kāi)關(guān)管 T導(dǎo)通，輸出端 Vo輸出低電平，當(dāng)有一個(gè)外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號(hào)加到 Vi端。并使2端電位瞬時(shí)低于1/3VCC，低電平比較器動(dòng)作，單穩(wěn)態(tài)電路即開(kāi)始一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，電容 C開(kāi)始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng) Vc充電到2/3VCC時(shí)，高電平比較器動(dòng)作，比較器 A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開(kāi)關(guān)管 T重新導(dǎo)通，電容 C上的電荷很快經(jīng)放電開(kāi)關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個(gè)觸發(fā)脈沖的來(lái)到作好準(zhǔn)備。波形圖如下：暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間 T（即為延時(shí)時(shí)間）決定于外接元件 R、wC的大小，Tw=1.1RC。通過(guò)改變R、C的大小，可使延時(shí)時(shí)間在幾個(gè)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(jì)時(shí)器時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來(lái)終止暫態(tài)，重新計(jì)時(shí)。此外需用一個(gè)續(xù)流二極管與繼電器線圈并接，以防繼電器線圈反電勢(shì)損壞內(nèi)部功率管。② 構(gòu)成多諧振蕩器如圖3-4，由555定時(shí)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(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1、R2向C充電，以及C通過(guò)R2向放電端DC放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在2/3VCC和1/3VCC之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)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(hào)的時(shí)間參數(shù)是： T=tw1 tw2tw1=0.7（R1+R2）Ctw2=0.7R2C其中，tw1為VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的時(shí)間，tw2為電容 C放電所需的時(shí)間。(2) 達(dá)林頓三極管 tip122：（4）光電耦合管 光電耦合管是一個(gè)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(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電機(jī)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(gè)個(gè)脈沖，提供計(jì)數(shù)器的脈沖輸入。六．系統(tǒng)各部分電路說(shuō)明各單元的工作原理及工作過(guò)程 ,公式推導(dǎo),參數(shù)計(jì)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(hào)帶動(dòng)后面的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，3腳為輸出管腳。根據(jù)NE555組成的多諧振蕩器的性質(zhì)，由vc的波形可以求得電容 C的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2各為T1(R1R2)C㏑VccVT=(R1R2)C㏑2，VccVTT2R2C㏑0VT=R2C㏑20VT故電路的振蕩周期為T=T1+T2=(R12R2)C㏑，2蕩頻率為f=112R2)C㏑2.T=(R1當(dāng)f=100Hz時(shí)，12，可令f,R1=R2則可求得R1=R2=4.8k.(R2R)C=0.0144C=1,VCC5VXSC1R18U1GT4.8kohm4VCCRSTAB7DISOUT36THRR22TRI4.8kohm5CONGNDC21LM555CNC10.01uF1uF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(hào)從2腳進(jìn)入后，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 R3的阻值，可以改變脈沖的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)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tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于外接電阻 R和電容C的大小。tw等于電容電壓在充電過(guò)程中從 0上升到2Vcc所需要的時(shí)間，因此得tw=RC3Vcc0Vcc (2/3)Vcc

=RC㏑3=1.1RC占空比 q=tw/T利用上式，根據(jù)電路中所需的脈寬計(jì)算出相應(yīng)的電阻電容值。本實(shí)驗(yàn)中要對(duì)100Hz的脈沖進(jìn)行脈寬調(diào)整，可令C3=1 f,則對(duì)應(yīng)的電阻R3≤6k 即可。在此試驗(yàn)中電阻R3為一個(gè)型號(hào)為103的電位 器，可根據(jù)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況來(lái)適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少脈寬（即調(diào)節(jié)電位器R3的大?。ｒ?qū)動(dòng)控制測(cè)向電路、轉(zhuǎn)向電路此電路是用達(dá)林頓三極管驅(qū)動(dòng)的，信號(hào)通過(guò)達(dá)林頓三極管，在集電極輸出，電流被放大帶動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。利用雙刀雙擲開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如下為驅(qū)動(dòng)控制電路：.光電脈沖轉(zhuǎn)換電路 在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上接一個(gè)小紙片，以實(shí)現(xiàn)每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，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(shí)產(chǎn)生的負(fù)脈沖，整個(gè)電路的輸出實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周光耦輸出一次正脈沖，其余為負(fù)脈沖。通過(guò)計(jì)時(shí)電路計(jì) 60秒，可以實(shí)現(xiàn)記錄每分鐘內(nèi)產(chǎn)生正脈沖次數(shù)反映電機(jī)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(jì)數(shù)器電路60秒計(jì)數(shù)器該模塊電路共由兩部分電路組成。計(jì)數(shù)器部分由兩片74LS161及與非門組成。由于60秒計(jì)數(shù)器需要到60秒自動(dòng)停止，所以需要鎖存信號(hào)。鎖存器由與非門及74LS20組成，鎖存信號(hào)60的十位6，即0110，所以高片的Q4、Q1需要接上與非門，之后再與Q2、Q3接入四輸入與非門，實(shí)現(xiàn)當(dāng)兩計(jì)數(shù)器共同計(jì)到60秒時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低的信號(hào)給鎖存器。1HZ時(shí)鐘與鎖存信號(hào)通過(guò)與非門供給計(jì)時(shí)器CLK，通常鎖存信號(hào)為1，與非門輸出是1HZ時(shí)鐘高低電平的反，計(jì)時(shí)器正常工作。但是當(dāng)計(jì)時(shí)器到60時(shí)，鎖存信號(hào)變?yōu)榈停c非門輸出變?yōu)楹愣ǖ母?，相?dāng)于計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘被停止，計(jì)時(shí)器停止工作，實(shí)現(xiàn)到 60秒，及時(shí)停止功能。計(jì)數(shù)器時(shí)鐘接到數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱上的1HZ脈沖信號(hào)上，以實(shí)現(xiàn)一秒一個(gè)信號(hào)，按秒計(jì)時(shí)。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(gè)數(shù)位上計(jì)到10，即1010時(shí)，Q2，Q4提供一個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門取反后送到1管腳，是芯片清零，同時(shí)給高位芯片2管腳一個(gè)信號(hào)，計(jì)數(shù)+1。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器由三片74LS161及74LS00組成，方法同上。輸入由經(jīng)過(guò)非門整形的光耦輸出信號(hào)提供。計(jì)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(shuō)明八．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際連線圖九．附錄1．芯片管腳圖及功能表1）NE555引腳位圖1-2NE555 接腳圖ne555的結(jié)構(gòu)圖Pin1(接地)-地線(或共同接地)，通常被連接到電路共同接地。Pin2(觸發(fā)點(diǎn))-這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3VCC，下緣須低于1/3VCC。Pin3(輸出)-當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200mA。Pin4(重置)-一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin5(控制)-這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。Pin6(重置鎖定)-Pin6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從 1/3VCC電壓以下移至 2/3VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。Pin7(放電)-這個(gè)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(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為 OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。Pin8(V+)-這是555個(gè)計(jì)時(shí)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(shí)電路。定時(shí)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