直流电机光耦测速设计

1、11780131实习报告（生产实习）起止日期： 2014年6月16日至 2014年7月11日学生 姓名岳刘香班级11电信科1班成绩指导教师（签字）计算机与信息工程学院2014年7月11日天津城建大学生产实习任务书20132014学年 第2学期设计题目：直流电机光耦测速系统设计完成期限：自2014年6月 1日至2014年7月 11 日共4周设计依据、要求及主要内容：实习的目的进一步熟悉和掌握单片机系统设计和编程原理。掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性、控制方法。通过设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术。通过实际程序设计和调试，掌握模块化程序设计方法和调试技术。通过完成一个包括

2、电路设计和程序开发的完整过程，了解开发单片机应用系统的全过程， 为今后从事相应开发打下基础。实习的基本要求认真认识设计的意义，掌握设计工作程序，学会使用工具书和技术参考资料，并培养科学 的设计思想和良好的设计作风。提高模型建立和设计能力，学会应用相关设计资料进行设计计算的方法。提高独立分析、解决问题的能力，逐步增强实际应用训练。设计的说明书要求简洁、通顺，电路图内容完整、清楚、规范。实习主要内容a）设计实现功能STC12C5A60S2 （引脚排序及基本功能同AT89S51）作为主控芯片，设计利用光电传感 器对5V直流电机测速，系统要求：LCD1602显示当前电机速度，若转速超过限定，则发出 声

3、光报警。b）原理图设计原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。图中所使用的元器件要合理选用，电阻、电容等器件的参数要正确标明。原理图要完整，CPU、外围器件、外扩接口、输入/输出装置要一应俱全。c）程序调计根据要求，将总体功能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程 图。d）程序调试编写相关程序，并进行仿真。将程序下载到单片机，进行运行调试。e）设计说明书原理图设计说明简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程 及顺序。程序设计说明对程序设计总体功能及结构进行说明，

4、对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较 详细的描述。画出工作原理图，程序流程图并给出相应的程序清单。指导教师（签字）：教研室主任（签字）： 批准日期：2014年6月5日目录 TOC o 1-5 h z 第一部分:无线门铃1第1章器件、电路介绍1 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 1.1电路基本原理1 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 1.2信号发射端1 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 1.2.1 CD4096 芯片介绍 2 HYPERLIN

5、K l bookmark47 o Current Document 1.3信号接收端2 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 1.4音频功放电路2 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 1.5器件说明2 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 第2章焊接过程5 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 2.1焊接前的准备工作5 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 2.2焊

6、接元器件5 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 2.3安装工艺及焊接注意事项5 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 第3章调试过程6 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 3.1发射机调试6 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 3.2接收机调试6 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 3.3调试过程中出现的问题及解决方案 6 HYPERLINK l bookma

7、rk92 o Current Document 第4章总结7第二部分单片机部分8第1章 总体设计方案8 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 1.1系统总体框图8测速部分9 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 显示部分9控制部分9驱动部分9 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 第2章单元模块原理10 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 2.1电机速度采集电路设计102.2显示部分10 HYPERLIN

8、K l bookmark111 o Current Document 2.3单片机部分102.4电机驱动电路设计 11 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 第3章软件编写流程12 HYPERLINK l bookmark117 o Current Document 3.1电机测速软件编写过程12 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 第4章调试过程14 HYPERLINK l bookmark123 o Current Document 第5章结果分析15 HYPERLINK l bookmark

9、126 o Current Document 第6章总结16第一部分:无线门铃第1章器件、电路介绍1.1电路基本原理无线门铃主要包括以下几个主要部分：触发开关，信号发射端，信号接收端，音频功放 电路。它们的工作原理关系如下：触发开关v信号发射端信号信号接收兰A aUj端A音频功放电路，图1-1工作原理卜面就以上主要部分进行简要描述。1.2信号发射端运用CD4069芯片，NPN管和晶振产生一个特定的调频信号及其外围电路组成信号发射端。 该信号发射端能够根据晶振的筛选频率产生一个特定的调频信号，发射比较稳定，不易受十 扰。1.2.1 CD4096芯片介绍CD4069是六反相器集成电路，采用双列式塑

10、封装（14引脚）。该IC内含六个独立的反 相器。每个反相器均可执行逻辑的反相操作。用它还可构成振荡器、脉冲整形和小信号的电 压放大等。与调幅系统相比，调频系统由于高频振荡器输出的振幅不变，因而具有较强的抗 干扰能力与较高的效率。1.3信号接收端运用基本的NPN管和一个晶振及其外围电路组成信号接收端。在里面加一个晶振后会由 信号发射端的晶振的筛选频率做出筛选，选出特定的信号频率，进行放大和输入下一级的音 频功放电路里面！电路图如下图所示：图1-3无线门铃原理电路图1.4音频功放电路运用常用的音乐IC芯片及功放组成音频功放电路。对输入进来的信号产生音乐IC里面 所存储的音乐声音！1.5器件说明电阻

11、电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R1表示编号为1的电阻。电阻在电路中的主要 作用为分流、限流、分压、偏置等。1、参数识别：电阻的单位为欧姆（Q）,倍率单位有：千欧（KQ）,兆欧（MQ ）等。换算 方法是：1兆欧=1000千欧=1000000欧电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。电容1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片 金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与 交流信号的频率和电容量有关。容抗XC=1/2nfc（f表示

12、交流信号的频率，C表示电容容量）电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电 容等。2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3 种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、 皮法（pF）。其中：1法拉=103毫法=106微法二109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10 uF/16V容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有

13、效数字，第三位数字是倍率。如:102 表示 10X102PF=1000PF 224 表示 22 X 104PF=0.22 uF稳压二极管稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。1、稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电 压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。2、故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这三种故障中， 前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。 常用稳压二极管的型号及

14、稳压值如下所示：型号：1N4728、 1N4729、 1N4730、 1N4732、 1N4733 、 1N4734 、 1N4735、 1N4744 、1N4750、 1N4751 、 1N4761稳压值：3.3V、3.6V、3.9V、4.7V、5.1V、5.6V、6.2V、15V、27V、30V、75V 电感电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。电感线圈是将绝缘 的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。直流可通过线圈，直流电阻就是导线本身的电阻， 压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外 加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电

15、感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻 抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。电感一般有直标法和色标法，色标法与电阻类似。如：棕、黑、金、金表示1uH （误差 5%）的电感。电感的基本单位为：亨（H）换算单位有：1H=103mH=106uH。变容二极管变容二极管是根据普通二极管内部“PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化 这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上，实现低频信号调制 到高频信号上，并发射出去。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二 极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。变容二极管发生故障，主

16、要表现为漏电或性能变差：（1）发生漏电现象时，高频调制电路将不工作或调制性能变差。（2）变容性能变差时，高频调制电路的工作不稳定，使调制后的高频信号发送到对方被对方 接收后产生失真。出现上述情况之一时，就应该更换同型号的变容二极管。晶体三极管晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。1、特点： 晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN 型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对 管就是由PNP型和NPN型配对使用。第2章焊接过程2.1焊接前的准备工作首先要准备焊接工具：电烙铁，

17、烙铁架，焊锡，镊子，钳子，插线板 按材料清单清点全套零件，并负责保管。用万用表检测元器件，电阻可以用万用表测量，也可以读出来。对元器件引线或引脚进行镀锡处理。注意：镀锡层未氧化（可焊性好）时可以不再处理。检查印制板的铜箔线条是否完好，有无断线及短路，特别要注意板的边缘是否完好。2.2焊接元器件焊接是安装电路的基础，我们必须重视他的技巧和注意事项。焊锡之前应该先插上电烙铁的插头，给电烙铁加热。焊接时，焊锡与电路板、电烙铁与电路板的夹角最好成45度，这样焊锡与电烙铁夹角成90 度。焊接时，焊锡与电烙铁接触时间不要太长，以免焊锡过多或是造成漏锡；也不要过短，以 免造成虚焊。元件的腿尽量要直，而且不要

18、伸出太长，以1毫米为好，多余的可以剪掉。焊完时，焊锡最好呈圆滑的圆锥状，而且还要有金属光泽。2.3安装工艺及焊接注意事项元器件的装插焊接应遵循先小后大，先轻后重，先低后高，先里后外的原则，这样有利于 装配顺利进行。在瓷介电容、电解电容及三极管等元件立式安装时，引线不能太长，否则降低元器件的稳 定性；但也不能过短，以免焊接时因过热损坏元器件。一般要求距离电路板曲mm，并且要注 意电解电容的正负极性，不能插错。集成电路的焊接：TC4096为双列14脚扁平式封装，在焊接时，首先要弄清引线脚的排列顺 序，并与线路板上的焊盘引脚对准，核对无误后，先焊接1、14脚用于固定IC，然后再重复 检查，确认后再焊

19、接其余脚位。由于IC引线脚较密，焊接完后要检查有无虚焊，连焊等现象， 确保焊接质量。第3章调试过程3.1发射机调试装上12V的电池，用万用表测发射电流，将电流表跨接在SW两端，应在8mA左右，如果 用于去摸T1时电流应增大，说明已经起振。3.2接收机调试装上两节7号的电池，串接电流表打开开关，电流应在1mA左右，按下发射极开关，将 发射机放在接收机附近，用无感螺丝刀拨动T1的线圈改变电感，使门铃发出响亮的声音，就 说明发射机和接收机的频率大致相同;再用万用表测HD14069的第一脚调整T1的电感量，使 改脚的电压达到最大值，组后调整距离，将发射机渐离接收机，慢慢的拉开距离，并微调T1， 直到达

20、到最大距离。3.3调试过程中出现的问题及解决方案在调试时，第一次装上电池以后发现按了开关以后门铃不响，在检查对比了其他同学与 我所焊接的不同以后发现不是器件焊接位置不对，最后用电压表测了每个电阻两端的电压， 发现有一个电阻虚焊，在电焊完成以后，门铃能够正常响了。第4章总结通过本次一周的无线门铃的焊接过程，我掌握了很多种器件的读数方法和辨别器件的方 法，也认识了之前未认识的一些器件，明白了他们在焊接过程中哪些考虑正负极，哪些需要 特殊焊接，在老师和同学们的共同帮忙下，我完成了本次无线门铃的焊接，在查资料的时候 遇见一些元件自己没有接触过的，通过查资料和向老师请教，把元件的原理和用途搞明白， 在这

21、个过程种，锻炼了自己的应对新元件的处理能力和自己的自学能力。感谢学校给我们安排本次焊接无线门铃的机会，现在我的门铃可以使用，我将把它带到 家里面用于生活中，这是一个贴合生活的生产实习，我感觉收获很大。第二部分单片机部分第1章总体设计方案1.1系统总体框图由单片机控制的直流电机光耦测速的总体设计框图如下图1-1所示，此系统由单片机部分 （STC12C5A60S2）,电机驱动部分（L9110），直流电机部分，光电测速部分和显示部分（LCD1602）组成， 光电测量器件是把电机速度转换成有规律的脉冲个数的器件，把这个脉冲传递给核心部分计量。光电测速 器件出来的脉冲频率跟着电机速度呈正相关变化。51单

22、片机是该体系的核心器件，通过电脑给电机供电， 推动齿轮转动，而后齿轮的空隙与光电耦合器反应后测速并实现使用LCD1602实时显示设定值以及得到 的速度。图1-1整体框图通过上面可以知道系统硬件主要上由测速部分，显示部分，控制部分，驱动部分组成。 而软件设计同样是根据系统的硬件部分开发的，软件主要是完成硬件控制预期的设计效果， 软件的基础部分也是根据上述硬件组成进行对应写成的。测速部分选取光电传感器。检测方法：每一个其他的无线电发射器安装发射器和接收器，编码器 块横梁，传感器输出的变化来表示要被检测的分析物。用来整理脉冲条数，给速率来统计。显示部分选择的1602LCD展示部分，这个显示部分掌控方

23、案单一，能耗不高、硬件链接方便、能 够对自负来显示。控制部分利用STC12C5A60S2作为系统控制的方案。STC12C5A60S2单片机运算能力不弱，方便、 自由灵活，能够选取软件编程来进行很多算法与逻辑操控。驱动部分该部分主要是一个直流电机和驱动L9110组成的，H桥的正反转驱动，从单片机的PWM 输出口接入，高低电平操控直流电机速率方向。第2章单元模块原理2.1电机速度采集电路设计在本设计中，速度采集电路设计中不可缺少的一部分。这次方案中采用通用的光电测速 办法来运行，主要方案是把电机转子链接一码盘，且其外边上有N个均匀凹槽，把盘的的一 边固定一个发光二极管，他的位置与凹槽处水平，在另一

24、边与发光二极光水平的部分上设置 个光敏三极管，当电机移动凹槽地方后，发光二极管经过凹处把光照给光敏三极管，三极管 链接，不然三极管截止，从图中能够得出电机每转一圈在外部中断的输出端拥有N个低电平。 我们可以依托低电平的个数来统计电机当时速度了。比如当电机以这个的镀铝启动时，外部 中断将得到脉冲，若了解部分时间t内传感器输出的脉冲数为n，这时电机速率是v=r/s。2.2显示部分按照设计方案要对体系每个数值与电机运转状况来体现，所以在电路中增添显示部分是 有需要的。在整体运转过程当中需求显示的数据比较多，在此处选用1602液晶显示器相对适 合，字符型放出部分是一个特殊体现英文、阿拉伯、符号点阵式L

25、CD1602。如下面2-1图所 示为LCD1602液晶显示图。图 2-1 LCD16022.3单片机部分利用单片机STC12C5A60S2来进行程序下载，在编写好程序以后通过单片机接口，将程序 下载到单片机里面，同时单片机也为电动机提供电源作用。图2-2单片机整体电源模块DO*2.4电机驱动电路设计该部分主要是一个直流电机和保护电路还有驱动L9110组成的，H桥的正反转驱动， L9110的简单介绍：L9110是给操控与动力电机研究的两通道驱动电路的元器件，把两个电路集中在一个IC 里面，他的可靠性良好，外围器件价格得到解决。这个芯片具备两个TTL/CMOS适用电平的传 进，拥有出色的的抵御干扰

26、能力；两个输出部分能直接给电机的正反转信号，它拥有不错的 的I动力性能，单个部分能导通750800mA的连续I，最高电流实力能到1.52.0A；不仅 它存在不高的产生满足压降；里面的二极管具有放出感性负载的反向冲击电流，当这个驱动 驱动直流电机的使用上鹤立独行。L9110被各种推广在模型汽车开关功率，电机驱动、步进 电机动力的电路部分当中。图2-3驱动及电机部分设计第3章软件编写流程3.1电机测速软件编写过程这个设计中电机速率收集里的一个重点内容，它的准确度有力关系到全体操控的优良度。 用于设计的测速部分，光电传感器，数学算式如下：n WO , .v x 6U r/minN x t我们能够看到

27、V的误差率大部分是由槽的数目多少的磁盘上的边缘，以削弱系统误差，应尽 量提高槽数，这回方案中的槽量N4,收集区间为1ms T，计算出具体的程序部分如图3-1展 示的是速度。3-1速度米集流程具体实现的程序如下：while(1)(if(number20)(number0;numread();在电机的速度160转/s时，单片机上的蜂鸣器将发出报警声，同时灯会亮，如果速度WL60 转/s则蜂鸣器不报警，灯也不亮。具体程序如下：if(shuzhi160)(beep0;led10;else(beep=1;led1=1;第4章调试过程在硬件调试与制作方面，可从下面系列着手考虑。信号盘可用一般塑料板制成，这

28、个信号盘就是发动机实验时所用的转盘，盘上共有4个齿， 每个大孔直径为6mm，盘中心还有一个中心孔。中心孔主要用于在固定发动机上。将信号盘 与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支架上，垂直于转速盘，当转速盘旋转 时，光电传感器就输出矩形脉冲信号，每4个脉冲对应发动机1个工作循环，其中的1个宽 脉冲信号配合上止点信号可精确确定上止点的位置。此检测装置完全按照发动机上传感器的 实际安装位置进行安装。将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光 电转速传感器接有4根导线，其中黑线、黄线为电源输入线，红线为信号输出线，白线为共 地线。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测量用 器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的 周期性脉冲信号。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的孔数。因此，脉冲信号的频率 大小就反映了信号盘转速的高低。此转速测量装置可以实现数字显示，成为数字式转速表。利用单片机STC12C5A60S2来进行程序下载，单片机具有强大的编译调试功能。此系统将 个功能模块：主程序、数据处理程序、中断服务子程序、LED