1、北京工業大學課程設計報告（數電課設題目） 直流電機測速 班 級： 130242 學 號： 13024212 姓 名： 王栩暉 組 號： 19 2015 年 4 月一設計技術指標及設計要求（一）設計任務設計一個能對直流電機運行速度進行調速和測速的電路。（二）基本要求設計一個脈寬調速電路，實現對直流電機轉速的控制。利用光電脈沖轉換、整形、門控電路和計數電路測出直流電機的轉速，并顯示在數碼管上。要求轉速300轉/分以下，越低越好。（三）擴展要求在完成基本要求的基礎上加光耦脈沖計數和相位判別電路，進而識別電機的轉向，并由LED顯示轉向的正反。三設計框架方波發生器100HZ脈寬調整驅動電路脈沖整形脈沖顯

2、示電路計數器門控電路光電脈沖轉換電路直流電機測量轉向電路控制轉向電路四.設計方案選擇及方案比較 總體設計思路 由555組成的方波發生器提供驅動電機的方波，再經由脈寬調整電路改變脈沖的寬度，從而改變直流電機的轉速。 驅動電路由達林頓三極管及開關組成，達林頓三極管放大電流以驅動電機。 開關選擇雙刀雙擲開關，使得電路橋式導通，以達到改變電機轉向的目的。 光電脈沖轉換電路有光耦組成，用來計數電機轉速，輸出的信號通過脈沖整形后輸入計數器電路。 計數器電路分為60秒計時器和轉速計數器兩部分，后面會詳細介紹。各方案比較 經查詢資料，實驗指導上提示的單穩觸發器CD14538,雙比較器LM393，整流二極管及5

3、V穩壓二極管都不需要使用，所以實驗方案以上述方案為準。五系統選用的元器件NE555 * 2達林頓三極管TIP122 * 1槽型光耦 * 1微型直流電機 * 174LS00 * 174LS161 * 5雙刀雙擲開關 * 1 電阻，導線，電容 * x 主要芯片說明（1）NE555定時器是一種多用途的數字模擬混合集成電路，利用它能極方便地構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器。組成的施密特觸發器可用于脈沖的整形，單穩態觸發器可用于調整脈沖的寬度，多諧振蕩器可用于提供方波信號。因而NE555廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。其工作原理如下： 555電路的內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觸發器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構成分壓，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觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號輸入并超過時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。是復位端，當其為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定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。 構成單穩態觸發器 如右圖為由555定時器和外接定時元件R、C構成的單穩態觸發器。D為鉗位二極管，穩態時555電路輸入端處于電源電平，內部放電開關管T導通，輸出端Vo輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于，低電平比較器動作，單穩態電路即開始一個穩態過程，電容C開始充電，Vc按指數規律增長。當Vc充電到時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C上

6、的電荷很快經放電開關管放電，暫態結束，恢復穩定，為下個觸發脈沖的來到作好準備。波形圖如下：暫穩態的持續時間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。當這種單穩態電路作為計時器時，可直接驅動小型繼電器，并可采用復位端接地的方法來終止暫態，重新計時。此外需用一個續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部功率管。 構成多諧振蕩器如圖3-4，由555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩態，僅存在兩個暫穩態，電路亦不需要外接觸發信號，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，對應的波形如圖3-5所示。圖3-4 555構成多諧振蕩器 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) 達林頓三極管tip122： （4）光電耦合管 光電耦合管是一個光感應器，當光通路被阻斷，則電流中斷，所以它可以用來對電機轉數進行監測，電機每轉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，提供計數器的脈沖輸入。六系統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, 參數計算1.方波方生器NE555組成的多諧振蕩器，用它產生的方波信號帶動后面的電機轉動，3腳為輸出管腳。根據NE555組成的多諧振蕩器的性質，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.脈寬調整電路其是由NE555組成的單穩態觸發器，當信號從2腳進入后，通過調節滑動變阻器R3的阻值，可以改變脈沖的寬度，從而實現對直流電機轉速的控制。根據由NE555組成的單穩態觸發器的性質，輸出脈沖的寬度等于暫穩

9、態的持續時間，而暫穩態的持續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，根據電路中所需的脈寬計算出相應的電阻電容值。本實驗中要對100Hz的脈沖進行脈寬調整，可令 =1f,則對應的電阻6 k即可。在此試驗中電阻為一個型號為103的電位 器，可根據直流電機的轉動情況來適當的增加或減少脈寬（即調節電位器的大小）。3. 驅動控制測向電路、轉向電路此電路是用達林頓三極管驅動的，信號通過達林頓三極管，在集電極輸出，電流被放大帶動直流電機運轉。利用雙刀雙擲開關來控制電機的轉向。如下為驅動控制電路：4 .

10、光電脈沖轉換電路在直流電機的轉子上接一個小紙片，以實現每當電機轉動一圈時，遮擋一次光耦的接收端，使得光耦輸出產生高電平，加之未被遮擋時產生的負脈沖，整個電路的輸出實現了電機轉動一周光耦輸出一次正脈沖，其余為負脈沖。通過計時電路計60秒，可以實現記錄每分鐘內產生正脈沖次數反映電機轉速。光耦輸出后需要進行脈沖整形，此處我們選擇了非門整形。5.計數器電路(1) 60秒計數器該模塊電路共由兩部分電路組成。計數器部分由兩片74LS161及與非門組成。由于60秒計數器需要到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，實現當兩計數器共同計到60秒時，產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。但是當計時器到60時，鎖存信號變為低，與非門輸出變為恒定的高，相當于計時器的時鐘被停止，計時器停止工作，實現到60秒，及時停止功能。計數器時鐘接到數電實驗箱上的1HZ脈沖信號上，以實現一秒一個信號，按秒計時。 由于74LS161為十六進制的芯片，而我們需要十進制，所以每個數位上計到10，即1010時，Q2，Q4提供一個信號經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+1。（2）電機轉速計數器 由三片74LS161及74LS00組成，方法同上。輸入由經過非門整形的光耦輸出信號提供。計數器部分總電路圖七系統調試1調試順序，及具體說明八實驗結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的結構圖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 (觸發點) -這個腳位是觸發NE555使其啟動它的時間周期。觸發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) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發和閘限電壓。當計時器經營在穩定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態。當這個接腳的電壓從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，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為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構成定時電路。定時電容C1上的電壓UC作為高觸發端TH（6腳）和低觸發端TL（2腳）的外觸發電壓。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）。直接復位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復位狀態。多諧振蕩器的放電時間常數分別為tPH0.693×