1、課程設計說明書 第 I頁程設計任務書20152016 學年第二學期專業：）學號： 姓名： 課程設計名稱： 電子技術課程設計 設計題目： 直流電機轉速檢測與脈寬調速器的設計 完成期限：自 2016 年 6 月 13 日至 2016 年 6 月 26 日共 2 周一、設計依據 本課題要求利用電子技術知識設計出一個直流電動機轉速檢查和 PWM 調速器。電路由轉速檢測電路、脈沖輸出電路、計數顯示電路、PWM 信號產生和放大電路、電機驅動電路構成。通過本課題練習，學生的綜合知識應用能力、設計能力將有較大提高，對今后從事電子產品的研制、生產、經營維修等打下基礎。二、主要內容及要求 主要內容： 1、給出詳細

2、的總體設計方案； 2、完成各部分具體功能電路設計，主要包括轉速檢測電路、脈沖輸出電路、計數顯示電路、PWM 信號產生和放大電路、電機驅動電路的設計； 3、給出正確的電路圖，仿真、調試驗證各部分設計的正確性； 4、整理設計成果，完成課程設計說明書的撰寫。 要求采用霍爾傳感器完成電機速度檢測電路設計；通過 PMW 速度調制方案實現轉速調節，具體設計一個多諧振蕩器，頻率調節范圍為 35KHz，占空比調節范圍為3070%，根據電機的實際參數設計功率放大器，使之推動直流電機工作，速度顯示電路采用 LED 實現。 三、途徑和方法 利用模擬電子技術和數字電子技術的相關知識設計一個直流電動機轉速檢查和PWM

3、調速器，可以先查閱相關資料（網上查找或參考相關書籍手冊），明確課題的方向和目的，然后學習完成課題所需的理論知識，了解霍爾傳感器、555 觸動電路、十進制計數電路、LED 顯示電路、PWM 信號產生和放大電路及直流電機驅動電路的工作原理；在理解的基礎上確定設計電路方案，設計電路，畫出原理圖及 PCB 印制版圖，最后提交課程設計說明書一份。 課程設計說明書 第 II頁四、時間安排 課題講解：2 小時 閱讀資料：10 小時 撰寫設計說明書：12 小時 修訂設計說明書：6 小時 五、主要參考資料 1孫麗霞. 數字電子技術M . 北京: 高等教育出版社, 2006: 174-196. 2楊素行. 模擬電

4、子技術基礎簡明教程M. 北京：高等教育出版社, 2007: 40 -92. 3高吉祥. 全國大學生電子設計競賽培訓系列教程-基本技能訓練與單元電路設計M. 北京: 電子工業出版社, 2007: 24-57. 4黃智偉. 全國大學生電子設計競賽訓練教程M. 北京:電子工業出版社, 2005（1）: 43-66. 5彭介華. 電子技術課程設計指導M. 北京: 高等教育出版社, 2002(12): 37 -228. 6陳永甫. 新編 555 集成電路應用 800 例M. 北京: 電子工業出版, 2000: 80 -130. 7蕭寶瑾. protel 99 SE 操作指導與電路設計實例（第一版）M.

5、太原：太原理工大學，2004：198-230. 8張義申，陸坤. 電子設計技術M. 西安: 電子科技大學出版, 1996:48-62. 指導教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準日期： 年 月 日 課程設計說明書 第 III頁直流電機轉速檢測與脈寬調速器的設計摘 要本課題是利用電子技術的相關知識設計直流電動機轉速檢測和 PWM 調制器。采用霍爾傳感器完成電機速度檢測電路設計。脈寬調速是利用改變脈沖寬度的方法實現脈沖占空比的變化，用以改變輸出直流電壓的平均值，達到調節直流電機的轉速。整體電路由轉速檢測電路、脈沖輸出電路、計數顯示電路、PWM 信號產生和放大電路、電機驅動電路構成。使多諧振蕩器

6、的工作頻率和占空比均可調節，頻率調節范圍為35KHz，占空比調節范圍為 3070%。 關鍵詞：PWM，轉速檢測，功率放大，數碼管顯示，霍爾傳感器 課程設計說明書 第 IV頁目 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 霍爾開關傳感器電路.22.1.3 霍爾傳感器的內部結構.22.2 相關芯片介紹.32.2.1 NE555 的相關介紹.32.2.2 LM386 的相關介紹.42.2.3 CD4511 芯片.52.2.4 74H373 的介紹.52.2.5 74LS1

7、92 的介紹.63 單元電路設計.63.1 穩壓電路.63.2 多諧振蕩電路.73.3 功率放大器.93.4 直流電機驅動電路.93.5 檢測電路.103.6 脈沖輸出電路.103.7 脈沖計數顯示電路.114 總電路圖仿真分析.12總 結.13課程設計說明書 第 V頁致 謝 .14參考文獻 .15課程設計說明書 第1頁1 緒論1.1 課題描述 隨著社會的不斷發展，直流調速在工業生產中扮演著越來越重要的角色。目前，工業上對直流調速的要求更高，轉速比更大?？稍谌康恼{速范圍內獲得良好的轉矩特性?，F在的社會發展中，交流電占據著重要的地位。但是，在很多地方直流電還是非常重要的。如今，單片機的應用也是

8、非常的廣泛，但是，由于單片機的軟件編程有些繁瑣，所以，我們采用 LED 數碼管來顯示直流電機的轉速。這樣成本低，操作簡單，易于維修。同時可以對電機進行大范圍速度的控制和轉速的檢測。1.2 基本工作原理及框圖本課程設計的是直流電機轉速檢測和 PWM 調速器。其中很重要的一部分是調速電路，此次采用的是脈寬 PWM 法，PWM 控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電子技術廣泛應用的控制方法。也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發展已經沒有了界限，結合現代控制理論思想無諧振軟件開關技術將會成為 PWM控制技術發展的主要方向之一。圖 1 基本工作原理框圖采用控制理論中的一個重要結論：沖量

9、相等而形狀不同的寬脈加在其有慣性的環節上時，其效果基本相同。PWM 控制技術就是以該理論為理論基礎，對半導體開關器課程設計說明書 第2頁件的導通和關斷進行控制，這樣，通過外在的顯示電路進行顯示轉速，從而達到測速的結果。基本工作原理框圖如圖 1 所示。2 相關器件及芯片的介紹2.1 霍爾傳感器根據霍爾效應，人們用半導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、無觸點、無磨損、功耗低等優點。綜合了電機轉速測試系統的要求。利用霍爾效應制作的傳感器叫做霍爾傳感器。霍爾傳感器分為線性霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器。2.1.1 霍爾傳感器 A3144E 的特性A3144E 系列單極高溫霍爾

10、效應集成傳感器是由穩壓電源，霍爾電壓發生器，差分放大器，施密特觸發器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路。其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓訊號。它是單磁極工作的磁敏電路。可用于汽車工業和軍工業方面?；魻栐按配摰膱D形如圖 2 所示。圖 2 霍爾元件和磁鋼 2.1.2 霍爾開關傳感器電路A44E 的介紹及引腳圖霍爾開關電路又稱霍爾數字電路。由穩壓器、霍爾片、差分放大器、施密特觸發器和輸出級組成。傳感器電路如圖 3 所示。圖 3 傳感器電路課程設計說明書 第3頁2.2 相關芯片介紹2.2.1 NE555 的相關介紹 NE555 的 8 腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為 518V，以 UCC 表

11、示；從分壓器上看出，上比較器 6 腳 A1 的腳接在 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 1 NE555 的功能觸發閥值復位IS 放電端輸出1/3Vcc2/3VccH導通L1/3Vcc2/3VccH原狀態1/3Vcc/H截止H/L導通L555 集成電路開始是作定時器應用的，所以叫做 555 定時器或 555 時基電路。但隨著科學的發展和社會的進步，555 集成電路不僅可以進行定時，還可以用于調光、調速、調溫、調溫等功能。此外，還可以組成脈

12、沖震蕩、單穩、雙穩和脈沖調制電路，用于交流信號源，電源變換，脈沖調劑等。由于工作穩定，使用方便，價格便宜，目前廣泛應用與電子產品中。555 集成電路中有幾十個元器件，由基本 RS 觸發器、分壓器、比較器等。且電路比較復雜，是模擬電路和數字電路的混合體。NE555 內部結構如下圖 5 所示1。圖 5 555 集成電路內部電路圖課程設計說明書 第4頁 比較器 C1 和 C2 各有一個輸入端連接三個電阻 R 組成的分壓器上，比較器輸出段接 RS 觸發器上。此外，輸出級和放電管。比較器 C1 和 C2 的參考電壓分別為 Ua和 Ub，根據 C1 和 C2 的另一個輸入端觸發輸入和閥值輸入，可判斷出 R

13、S 觸發器的輸出狀態。當復位端為低電平時，RS 觸發器被強制復位，若無需復位操作，復位端應該接高電平3。NE555 的應用非常廣泛，可以構成施密特觸發器，單穩態觸發器和多諧振蕩電路。本次課程設計主要用到 NE555 的多諧振蕩電路。主要應用如圖 6 所示。圖 6 NE555 的應用2.2.2 LM386 的相關介紹LM386 是美國一個半導體公司生產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，裝置調整方便等優點。故廣泛應用與通信設備、錄音機等各類電子產品中，其具體參數如下；工作電壓 412V，靜態電流 4mA，輸出功率 600Mw,電壓增益 46dB，帶寬 30

14、0KHZ，諧波失真 0.2%，輸入阻抗 50K，輸入偏執電流 250mA。電路增益可根據需要進行調整。LM386 的管腳分布如圖 7 所示。圖 7 LM386 管腳分布課程設計說明書 第5頁2.2.3 CD4511 芯片CD4511 是一片 CMOS BCD-鎖存/7 段譯碼/驅動器，用于驅動共陰極 LED (數碼管)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 BI=0 時，不管其它輸入端狀態如何，七段數碼管均處于熄滅（消隱）狀態，不顯示數字。LT：3 腳是測試輸入端，當 BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為 1，不

15、管輸入 DCBA 狀態如何，七段均發亮，顯示“8”。它主要用來檢測數碼管是否損壞。LE：鎖定控制端，當 LE=0 時，允許譯碼輸出。LE=1 時譯碼器是鎖定保持狀態，譯碼器輸出被保持在 LE=0 時的數值。.主要電路的電路圖及原理 2.7.1 PWM 產生電路我們采取 NE555 作為 PWM 發生器，通過改變可調電阻的大小來改變占空比，從而達到調速目的。電路圖 8 所示3。圖 8 CD4511管腳分布圖2.2.4 74H373 的介紹74H373 是 8 位數據鎖存器，主要用于數碼管、按鍵等等的控制。引腳分布如圖 9所示。圖 9 74H373 引腳分布課程設計說明書 第6頁2.2.5 74L

16、S192 的介紹74LS192 是同步十進制可逆計數器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數等功能，其引腳排列如圖 10 所示。圖 10 74LS192 管腳分布3 單元電路設計3.1 穩壓電路穩壓電路是電子產品研究和生產使用中必不可少的成分，一般輸出的都是 015V的電壓。本課題需要 5V 的直流電源進行供電。該系統電路由電源變壓器，整流電路，濾波電路，穩壓電路四部分組成。流程圖如圖 11 所示。整流電路：利用具有單向導電性能的整流元件，把方向和大小都變化的 50Hz 交流電變換為方向不變但大小仍有的脈動直流電壓。濾波電路：利用儲能元件電容器 C 兩端的電壓不能突變的性質，把電容C 與整流電路

17、的負載 RL 并聯（或串聯） ，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。穩壓電路：當電網電壓或負載電流發生變化時，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化。因此，穩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電壓和負載的變化而變化。穩壓電路如圖 12 所示4。課程設計說明書 第7頁圖 11 穩壓電路流程圖圖 12 LM371 穩壓電路3.2 多諧振蕩電路多諧振蕩器是一種無穩態電路，它是接通電源后，不需要外加觸發信號，電路狀態總能夠自動的不斷變換，產生矩形波的輸出，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

18、信號輸出電路。課程設計說明書 第8頁圖 13 555 多諧振蕩電路圖圖 14 555 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)課程設計說明書 第9頁占空比： （3） 占空比可調電路如圖 13 所示。其仿真波形如圖 14 所示。由于二極管的引導作用，電容 C 的充電時間常數 t1=R1C,放電時間常數 t2=R2C，通過以上計算分析 (4) (5) 占空比： (6) 只要改變電位器滑動端的位置，就可以方便的調節占空比 q，當 R1=R2 時，q=0.5，uo 就成為對稱的矩形波3。3.3 功率放大器集成電路按照其功能，

19、可以分成模擬集成電路和數字集成電路，本課題為了實現功率的放大采用 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量4。3.4 直流電機驅動電路驅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。本驅動電路采用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。直流電機驅動電路如圖 15 所示。 課程設計說明書 第10頁圖 15 直流電機驅動電路3.5 檢測電路我們采用 A44E 開關霍爾

20、傳感器對電機進行轉速計數，原理是：當電機轉一圈，A44E 向外輸出一個脈沖，這樣通過在單位時間內檢測脈沖個數就可以等到電機的轉速，從而達到測速的目的。3.6 脈沖輸出電路 脈沖輸出電路主要為計數顯示電路提供計時脈沖，這樣就可以統計單位時間內霍爾傳感器輸出的脈沖個數。脈沖輸出信號電路如圖 16 所示。脈沖輸出頻率：F= （7）31102Hz500課程設計說明書 第11頁圖 16 脈沖輸出電路3.7 脈沖計數顯示電路 該部分電路包括閘門電路、計數電路、時鐘電路、顯示電路。根據現有的資源，運用 74LS161，74LS373,4511 及相應的門電路。閘門電路通過與非門一級輸入的標準時基信號對另一極

21、的被測信號進行周期通過，計數器集成塊包括兩個計數單元，時鐘電路產生 2HZ 的標準脈沖，顯示電路采用 4511，用數碼管進行顯示。電路圖如圖 17所示。CP課程設計說明書 第12頁圖 17 脈沖計數管顯示電路 4 總電路圖仿真分析 總電路圖由脈沖輸出電路提供計時脈沖，然后由 NE555 多諧振蕩電路提供 PWM信號，由于多諧振蕩電路頻率及占空比可調，所以可以進行調速。由于 555 多諧振蕩電路輸出信號不太穩定或是功率太小，所以用功率放大電路對 PWM 信號進行放大，然后對電機進行驅動，之后由檢測電路進行檢測，最后通過整形電路對輸出信號進行整形，最終輸入脈沖計時電路，和計時脈沖一起驅動脈沖計時電路，當電機轉一圈，A44E 向外輸出一個脈沖，這樣通過在單位時間內檢測脈沖個數就可以等到電機的轉速，從而達到測速的目的。通過最終可以實現測速功能。總電路圖如圖 18 所示。電路由多諧振蕩器提供 PWM 信號，經過放大、整形、調諧，再由 CD4511 進行驅動，最終在數碼管顯示。課程設計說明書 第13頁圖18總電路圖課程設計說明書 第14頁總 結本次課程設計通過設計直流電機轉速檢測與脈寬調速器。主要圍繞 555 電路、霍爾傳感器等來設計電路。采用霍爾傳感器完成點擊速度檢測電路設計。NE555 為主控芯片組成的脈沖寬度調