直流电机测速综述.docx
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直流电机测速综述
北京工业大学课程设计报告
数电课设题目）直流电机测速
班
级：
130242
学
号：
13024212
姓
名：
王栩晖
组
号：
19
2015
一．设计技术指标及设计要求
（一）设计任务设计一个能对直流电机运行速度进行调速和测速的电路。
（二）基本要求设计一个脉宽调速电路，实现对直流电机转速的控制。
利用光电脉冲转换、整形、门控电路和计数电路测出直流电机的转速，并显示在数码管上。
要求转速300转/分以下，越低越好。
（三）扩展要求在完成基本要求的基础上加光耦脉冲计数和相位判别电路，进而识别电机的转向，并由LED显示转向的正反。
三．设计框架
四.设计方案选择及方案比较
总体设计思路
由555组成的方波发生器提供驱动电机的方波，再经由脉宽调整电路改变脉冲的宽度，从而改变直流电机的转速。
驱动电路由达林顿三极管及开关组成，达林顿三极管放大电流以驱动电机。
开关选择双刀双掷开关，使得电路桥式导通，以达到改变电机转向的目的。
光电脉冲转换电路有光耦组成，用来计数电机转速，输出的信号通过脉冲整形后输入计数器电路。
计数器电路分为60秒计时器和转速计数器两部分，后面会详细介绍。
各方案比较
经查询资料，实验指导上提示的单稳触发器CD14538,双比较器
LM393，整流二极管及5V稳压二极管都不需要使用，所以实验方案以上述方案为准。
五．系统选用的元器件
NE555*2
达林顿三极管TIP122
槽型光耦
*1
微型直流电机
*1
74LS00
*1
74LS161
*5
双刀双掷开关
*1
电阻，导线，电容
*x
主要芯片说明
1）NE555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
组成的施密特触发器可用于脉冲的整形，单稳态触发器可用于调整脉冲的宽度，多谐振荡器可用于提供方波信号。
因而NE555广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
其工作
原理如下：
本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K
Ω的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
RD是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接VCC。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻
放电电路
①构成单稳态
触发器
如右图为由555定时器和外接定时元件R、C
构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，稳态时555电路输入
端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。
当Vc充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从
高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷
很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉
冲的来到作好准备。
波形图如下：
暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R、
C的大小，Tw=1.1RC。
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
构成多谐振荡器
如图3-4，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端DC放电，使电路产生振荡。
电容C在2/3VCC和1/3VCC之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3-5所示。
荡器的波形图
输出信号的时间参数是：
T=tw1tw2
tw1=0.7（R1+R2）C
tw2=0.7R2C
其中，tw1为VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间，tw2为电容C放电所需的时间。
（2）达林顿三极管tip122：
4）光电耦合管光电耦合管是一个光感应器，当光通
路被阻断，则电流中断，所以它可以用来对电机转数进行监测，电机每转一圈即阻断耦合管的光路一次，从而在光电耦合管的输出端送出一个个脉冲，提供计数器的脉冲输入。
六．系统各部分电路说明各单元的工作原理及工作过程,公式推导,参数计算1.方波方生器
NE555组成的多谐振荡器，用它产生的方波信号带动后面的电机转动，3脚为输出管脚。
根据NE555组成的多谐振荡器的性质，由vc的波形可以求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为T1（R1R2）C㏑VccVT=（R1R2）C㏑2，
12112VccVT12
0VT
T2R2C㏑T=R2C㏑2
220VT2
故电路的振荡周期为T=T1+T2=（R12R2）C㏑2，荡频率为f=1=1.
T（R12R2）C㏑2
当f=100Hz时，（R12R2）C=0.0144，可令C=1f,R1=R2,则可求得R1=R2=4.8k.
仿真的方波周期为9.981ms，即100.2Hz。
2.脉宽调整电路
节滑动变阻器R3的阻值，可以改变脉冲的宽度，从而实现对直流电
机转速的控制。
其是由NE555组成的单稳态触发器，当信号从2脚进入后，通过调
根据由NE555组成的单稳态触发器的性质，输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小。
tw等于电容电压在充电过程中从0上升到32Vcc所需要的时间，因此得tw=RC㏑Vcc0=RC㏑3=1.1RC
Vcc（2/3）Vcc
占空比q=tw/T利用上式，根据电路中所需的脉宽计算出相应的电阻电容值。
本实验中要对100Hz的脉冲进行脉宽调整，可令
C3=1f,则对应的电阻R3≤6k即可。
在此试验中电阻R3为一个型号为103的电位器，可根据直流电机的转动情况来适当的增加或减少脉宽（即调节电位器R3的大小）。
3.驱动控制测向电路、转向电路
此电路是用达林顿三极管驱动的，信号通过达林顿三极管，在集电极输出，电流被放大带动直流电机运转。
利用双刀双掷开关来控制电机的转向。
如下为驱动控制电路：
4.光电脉冲转换电路
在直流电机的转子上接一个小纸片，以实现每当电机转动一圈时，遮挡一次光耦的接收端，使得光耦输出产生高电平，加之未被遮挡时产生的负脉冲，整个电路的输出实现了电机转动一周光耦输出一次正
脉冲，其余为负脉冲。
通过计时电路计60秒，可以实现记录每分钟内产生正脉冲次数反映电机转速。
光耦输出后需要进行脉冲整形，此处我们选择了非门整形。
5.计数器电路
（1）60秒计数器该模块电路共由两部分电路组成。
计数器部分由两片74LS161及与非门组成。
由于60秒计数器需要到60秒自动停止，所以需要锁存信号。
锁存器由与非门及74LS20组成，锁存信号60的十位6，即0110，所以高片的Q4、Q1需要接上与非门，之后再与Q2、Q3接入四输入与非门，实现当两计数器共同计到60秒时，产生一个低的信号给锁存器。
1HZ时钟与锁存信号通过与非门供给计时器CLK，通常锁存信号为1，与非门输出是1HZ时钟高低电平的反，计时器正常工作。
但是当计时器到60时，锁存信号变为低，与非门输出变为恒定的高，相当于计时器的时钟被停止，计时器停止工作，实现到60秒，及时停止功能。
计数器时钟接到数电实验箱上的1HZ脉冲信号上，以实现一秒一个信号，按秒计时。
由于74LS161为十六进制的芯片，而我们需要十进制，所以每个数位上计到10，即1010时，Q2，Q4提供一个信号经过与非门取反后送到1管脚，是芯片清零，同时给高位芯片2管脚一个信号，计数+1。
（2）电机转速计数器
由三片74LS161及74LS00组成，方法同上。
输入由经过非门整形的光耦输出信号提供。
计数器部分总电路图
七．系统调试
1．调试顺序，及具体说明
八．实验结果及实际连线图
九．附录1．芯片管脚图及功能表
（1）NE555引脚位
图1-2NE555接脚图
ne555的结构图
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
多谐振荡器
电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。
定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。
放电端D（7脚）接在R1和R2之间。
电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。
直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。
多谐振荡器的放电时间常数分别为
tPH≈0.693×（R1+R2）×C1
tPL≈0.693×R2×C1
振荡周期T和振荡频率f分别为
T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1
f=1/T≈1/[0.693（×R1+2R2）×C1]
2）74LS00
（2）74LS20
两个4输入与非门，内含两组4与非门
第一组：
1,2,4,5输入6输出。
第2组：
9,10,12,13输入8输出
十．收获和体会
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