2015电动机测速电路设计.doc

电子技术课程设计报告题 目 电动机测速电路设计 学院名称 电气工程学院 指导教师 肖金凤 班 级 电力1301 学 号 20134450121 学生姓名 韩 锦 2016年 1月 27 日电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、设计一电动机测速电路（做实物）电机转一圈，霍尔元件得到一个脉冲，作为电路的计算脉冲，进而利用控制电路进行统计，得到电机转速。二、主要技术指标与要求：1. 用信号发生器（多谐振荡器）代替霍尔传感器进行电路设计。2. 能进行电动机转速的统计（十进制计数）。3. 能显示电动机转速。4. 超过自行规定的转速，具有声光报警功能。 2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，做出实物，安装调试，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：1 申永山. 电工电子技术实验及课程设计M.机械工业出版社，20112 尤佳,李春雷,伍春洪,杨淑华.数字电子技术实验与课程设计M. 北京： 机械工业出版社.2014.43 谢自美.电子线路设计、实验、测试M(第3版).武汉：华中科技大学出版社，2013.84 王喜斌，王凤宇.电子技术实验与课程设计及创新与竞赛M.哈尔滨工业大学出版社，20105 陈光明,桂金莲.电子技术课程设计与综合实训M .北京航空航天大学出版社. 20076 杨力.电子技术课程设计M . 中国电力出版社，20097 康光华主编.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社.20158 康光华主编.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社.20159 杨承毅,肖诗海,邹友志. 脉冲与数字电子技术. 人民邮电出版社. 2008.2.110王渊峰.戴旭辉. Altium Designer10电路设计标准教程.科学出版社.2011.14课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容12015.10.23布置任务，教师讲解设计方法及要求22015.10.24-2015.10.31学生查找阅读资料，初定方案,小组会议讨论并确定方案32015.11.1- 2015.11.15设计及计算42015.11.15-015.12.29实物调试并写说明书，小组讨论52016.1.27答辩主指导教师肖金凤日期： 2015 年 10 月 23日摘要 在现代的电力负载中，异步电机的用电占有率约为70%-80%，所以关于电机各方面的知识都是我们电气工程及其自动化自动化专业学生当有所涉猎的。而关于电动机转速的问题是一个极其重要的研究领域。电动机的转速是反映电动机是否平稳运行，是否超出工作极限的一项重要指标。 一般电机所要用到的转速测量元件就是光感应传感器元件，霍尔传感器元件等。所用到的，就是通过脉冲变化实现计数变化，从而实现计数，最终实现对转速的测量。根据设计要求，这里我们用多谐振荡电路代替霍尔元件实现方波脉冲信号。本次设计主要主要用到555芯片制作多谐振荡电路。其次就是制作，设计计数电路，要求十进制并通过数码管进行显示，主要用到的芯片是74ls161,74ls48，共阴极数码管等。关键词：计数电路，多谐振荡电路，74ls161,74ls48,555芯片目录前言 71 设计内容及要求81.1 设计目的81.2 设计要求82 系统组成及工作原理92.1 系统组成92.2 工作原理93 模块电路设计及其工作原理103.1 多谐振荡信号发生电路103.2 计数及译码显示电路113.3 记时电路154 实验仿真及实验测试结果164.1 仿真图224.2 实际测试图265 设计总结参考文献29附录一 原理图30附录二 实物图32附录三 器件清单341 设计内容及要求1.1 设计目的巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力；培养根据设计需要选学参考书籍，查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力；通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件、电路组装、调试和检测等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法；学会简单电路的实验调试和性能指标的测试方法，提高动手能力和进行数字电子电路实验的基本技能。1.2 设计要求1.用信号发生器（多谐振荡器）代替霍尔传感器进行电路设计。2.能进行电动机转速的统计（十进制计数）。3.能显示电动机转速。4.超过自行规定的转速，具有声光报警功能。2 系统组成及工作原理2.1 系统组成 系统组成框图：如图2-1开关电路多谐振荡信号发生电路计数电路显示电路报警电路秒脉冲产生电路 图2-12.2 系统工作原理通过开关电路控制多谐振荡电路产生并输出多谐振荡波信号，此时，计数电路开始工作计数，计数器是由74ls161芯片计数，通过74ls48芯片译码，通过共阴极七段译码显示器显示计数结果。设计的目的在于测量2000r/min的电机转速，所以如果在一分钟以内转速超过2000r/min时，警报指示灯将会发光（此处用发光二极管），同时计数器停止计数。3 模块电路设计及其工作原理3.1 多谐振荡电路 应用555芯片构成多谐振荡信号发生电路，如图3-1。多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1R2）C。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。图3-2所示为工作波形。图3-1 图3-2输出信号的时间参数是： T= =0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段:(1) 暂稳态 I(Otl): 电容 C 充电 , 充电回路为 VDD R1 R2 C 地 , 充电时间常数为 为1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 uc 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平. (2) 自动翻转 I(t=tl): 当电容上的电压 uc 上升到了 VDD 时 , 由于 555 定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q由 1 变为 0, 由0变成 1, 输出电压 uo由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电.(3) 暂稳态 (t1t2): 由于此刻=1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容 C 放电 , 放电回路为 C R2 放电管 V 地 , 放电时间常数2=R2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压 uc 按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。(4) 自动翻转(t=t2): 当电容上的电压 uc下降到了 VDD 时 , 由于 555 定时器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q由0 变为 1, 由1变成0, 输出电压uo由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电.由于=0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I.以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 , 输出连续的矩形波脉冲信号.3.2 计数及译码显示电路 74LS161（图3-3）是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，：图3-3管脚图介绍：时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET) 如图3-4输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1图3-4从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器，其封装图如3-5。图3-5 74LS48/SN74LS48 引脚功能图工作电压:5V 74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表1中116行。（2）消隐功能（BI=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。（3）灯测试功能（LT = 0）此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，表1最后一行，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。74LS48的内部结构图如图3-6.图3-6 图3-5,3-6 7段显示译码器74LS48方框图和符号图。由符号图可以知道，4号管脚端具有输入和输出双重功能。作为输入（BI）低电平时，G21为0，所有字段输出置0，即实现消隐功能。作为输出（RBO），相当于LT，及CT0的与坟系，即LT=1，RBI=0，DCBA=0000时输出低电平，可实现动态灭零功能。3号（LT）端有效低电平时，V20=1，所有字段置1，实现灯测试功能。74LS48功能表如图3-7.74ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数或功能输入BI/RBO输出备注LTRBID C B Aabcdefg0HH0 0 0 0H1111110显示1Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL0000000灭灯消隐RBIHL0 0 0 0L0000000动态灭零LTLxx x x xH1111111灯测试图3-7 74ls161及74ls48构成计数显示电路原理图3-8图3-83.3记时电路 记时电路是通过555芯片构成的频率为1HZ的多谐振荡电路与两片74LS161组成的60进制计数电路。4 实验仿真及实验测试结果 4.1 仿真图多谐振荡电路仿真图4-1所示图4-1多谐振荡仿真电路输出波形图4-2所示图4-2单个计数电路仿真电路图4-3所示图4-34.2 实际测试图 电路接通电时的初始状态状态图4-4所示图4-4 用多谐振荡波的频率f=25hz时，相当于电机正常工作时此时转速为1500r/min，如下图4-5所显示的.图4-5 当多谐振荡波频率高于f=34hz时，相当于电机转速超过2000r/min时显示自动停在2000，并报警，如图 5 设计总结本次电子课程设计将理论与实践有机地结合，既考查了同学对理论知识的掌握程度，又反映了实际动手能力，更主要的是考查了同学对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。针对课程设计题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。同时也使自己认识到： （1）设计思路是整个设计的灵魂拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。（2）调试调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为接线问题引起的等，因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对线路的检查，最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。（3）制作制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，电路的焊接要一步一步来，焊点多，走线复