电机转速的M法测量

电子技术综合训练设计报告题目：电机转速的M法测量姓名：学号：班级：同组成员：指导教师：日期：2011.12.20摘要：电机是电力系统最主要的设备，电机的转速测量有很重要的现实意义。在本设计中用555构成多谐振荡，成为主电路控制信号的输出和定时的关键部分。用74LS192N实现电路的计数功能，对光电码盘的脉冲数进行统计，利用门电路控制计数器的计数清零，利用4511BD驱动数码显示器，动态的显示脉冲数目，最后根据脉冲数目计算电机的转速。关键词：555计时器；计数；显示。1233.3.3.345678TOC\o"1-5"\h\z设计任务和要求？1.1设计任务？1.2设计要求.?系统设计？2.1系统要求.?2.2方案设计？2.3系统工作原理.?单元电路设计？555振荡电路？3.1.1电路结构及工作原理？3.1.2电路仿真？1.3元器件的选择及参数确定？3.2计数电路和显示电路的设计？3.2.1电路结构及工作原理？3.2.2电路仿真？2.3元器件的选择及参数确定.?整流电路与控制系统仿真?.电路安装、调试与测试？5.1电路安装？5.2电路调试？5.3系统功能及性能测试？5.3.1测试方法设计？5.3.2测试结果及分析？结论？参考文献？总结、体会和建议附录

1设计任务和要求1.1设计任务根据已学过的知识，设计用M法测量电机转速的电路图，并显示电机的正反转，给出测量结果与转速的数量关系。1.2设计要求1）设计电路能够显示光电码盘的脉冲数的和，并显示电机的正反转；2）给出有关器件的选型和参数计算过程；3）给出测量的结果与转速的数量关系；4）手绘电路原理图；5）设计电路通过计算机仿真后制作电路板，完成调试。2系统设计2.1系统要求1）设计电路能够可靠的工作；2）电路满足要求的精度，显示各变量；3）尽量简化电路，使制作电路板是的连线方式简单容易焊接；4）做到电路板的经济最小化。2.2方案设计在本电路的设计过程中，用555和外加的门电路构成定时和控制的主电路，作为计数器的的计数和控制信号，用74LS192构成十进制模1000计数器，对光电码盘送入的脉冲进行加计数。利用触发器和与门，作为电路的控制，在外部电源接通的情况下，控制计数器的工作状态，使计数器进行计数、保持计数、清零。为此，我们可以利用振荡电路的输出在触发器的配合下，利用上升沿启动计数器，下降沿清零的过程。为了使我们准确的知道计数的结果，将计数过程动态的显示出来，利用数码管驱动和七段码显示构成显示部分，准确的显示计数的结果。并且数码管的数据保持、清零状态与计数器的状态一致，利用同一个脉冲进行控制，在数码管显示的数据清零前显示的数字就是在这段时间里对电机光电码盘输出的脉冲数的和统计，最后根据脉冲数与电机转速的确定关系计算出电机的转速。为了使测得的转速比较精确，可以进行多次测量，最后求出平均值，这样就可以满足对精度的要求。因此，可将555构成多谐振荡，能够周期的工作。最后通过光电码盘输出信号的特点，利用触发器的输出电平的不同来为发光二级管供电，根据不同的二级管的发光来确定电机的正反转。在本电路中，各器件对电源的要求较高，为了电路的可靠工作和器件的安全，在电路中加入了稳压电源，利用变压、整流的过程，直接将220V的工频电变为5V的直流电，保证电路的安全。经过充分的考虑和广泛的查阅资料，以及我们目前所掌握的专业知识，这个方案中的各部分都能比较容易的实现。详细的掌握各部分的工作特点，可以将各部分较为准确的组合在一起，成为一个完整的整体。能够实现要求的功能，满足设计的要求。能够实现要求的功能，满足设计的要求。3系统工作原理电机在转动的过程带动光电码盘转动，在转动的过程中会有脉冲输出，如图1，电机的转速不能通过较为简单的装置进行测量，但码盘输出的脉冲可以通过电路比较容易的计算出。所以，为了电路的简单，可将电机的转速通过码盘

ab图1：光电码盘的输出脉冲a电机正转,b电机反转的脉冲间接的计算，对方案进行简化。码盘在随电机转一周的过程中会有确定的脉冲输出，定时器作为控制信号的输入，在规定的时间计数器对码盘输出的脉冲数统计，最后根据脉冲数和设定的时间可以计算出电机的转速。根据输出脉冲的不同确定电机的正反转。电机转速n=60m1/(PT)r/min其中P为光电码盘每转一周输出的脉冲数，丁为定时器设定的计数时间，ml为计数器在设定时间所计的脉冲的总数。在本设计中，采用的码盘输出的脉冲数为2000个，计数器设定的计时时间为5ms，所以可以对转速的计算进行化简，根据数码管显示的数据，通过简单的计算就可以得到所需要的转速，最终的转速可由下式得到：电机转速n=6mlr/min清零启动测速脉冲图2实验原理图

3、单元电路的设计555振荡电路集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压Vc=+5V〜+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3〜+18V。CC555电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图3所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5KQ的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器％的反相输入端的参考电平为2Ve和1V«。A与A的输出端控制RS触发器状态和放3CC3CC12电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平|vcc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|vcc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（4脚），当Rd=0,555输出低电平。平时RD端开路或接VCC。*Vcc(a)(b)

图3555定时器内部框图及引脚排列*Vcc(a)(b)七是控制电压端(5脚),平时输出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O.Oluf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通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。构成多谐振荡器如图4，由555定时器和外接元件R、R、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，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过％向放电端Ct放电，使电路产生振荡。电容C在3vcc和3vcc之间充电和放电，其波形如图3所示。输出信号的时间参数是T=D、八t^0.7(^+R)C，tW：=0.7R2C2555电路要求R与R均应大于或等于1KQ，但R+R应小于或等于3.3MQ。…、………、1--,2、……、…12、-―-一……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。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。图3为所构成的电路.VCC□vdCTU14—C-pCt555_TIMER_RATED图4555振荡电路外电路图3555输出特性

3.1.2电路仿真将图4所示的电路在电脑软件上连接，并进行仿真。在仿真的过程中发现，5VCC□vdCTU14—C-pCt555_TIMER_RATED图4555振荡电路外电路图3555输出特性3.1.2电路仿真将图4所示的电路在电脑软件上连接，并进行仿真。在仿真的过程中发现，555电路的低电平输出不稳定，波形出现失真的情况，在多次的仿真和查阅相关的资料后，得到了结解决的办法，就是在输出的后面加非门后在输出，通过仿真发现，加非门输出的波形稳定。能够满足要求。仿真结果如图5.15.010.0-1.0-1D.0-15..0；；；；；rm如IIIIIIIIIIII--顺伽IIIIIIIIIIIIIIIIIIAqAn---pr--Aq-i-y-r-----p-i-1OO.OmIIIIIIIIIIIIIII」_|___l__.J__-__1.1__-__-I__.J__■:__-L-oIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII―i11-jftO.Om.20.On4O.Om60.0mSO.ttm100.0m图5555振荡电路仿真波形3.1.3元器件的选型和参数计算用555TIMER_RATED作为主芯片,Ct采用10uF.C采用O.luF.定电路在振荡的过程中产生高电平的时间ti5ms，由以下三式可计算出电阻的值和振荡的频率："Ewi+人，、八t]=0.7(R+R2)C,tW1=0.7R(12由于占空比对电路的影响不大,2可以忽略。所以可以取得R1=35.7KQR2=35.7KQT=133.3Hz3.2计数电路和显示电路的设计LED数码管LED数码管实物图如图6所示，数码管内部就是LED灯的组合。LED数码管里面有八个发光二极管。引脚分别记作a、b、c、d、e、f、g、bd,其中bd是小数点，abcdefgh分别控制8个段，称段码。数码管的3、8脚是公共端，公共端可以用三极管控制是否连接电源，由此可以控制整个数码管点亮或熄灭。常用的LED数码管有两种，一种是共阳极一种是共阴极的。共阴极数码管原理说明：

共阴极数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管用电电流只有1〜2mA,最大极限电流也只有10〜30mA,所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。图6共阴极LEDCD4511BE做数码管的驱动其电路原理如下：CD4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码一七段码译码器的特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示其中abcd为BCD码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐°LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a〜g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。所谓共

阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V.图6共阴极LED3.2.1电路结构及工作原理计数与显示的电路如图7。在电路的工作过程中，计数脉冲由测速脉冲和控制电路同时控制输入，将计数的过程通过数码管显示。U6AOODEFO4511BD5V36ABODOFO4511BD5V74LS192D1TT~FTU6AOODEFO4511BD5V36ABODOFO4511BD5V74LS192D1TT~FT1191174LS192D图7计数与与显示电路3.2.2电路仿真电路仿真结果如下图8.图8计数与与显示电路3.2.3元器件的选择及参数确定电机转一转光电码盘输出2000个脉冲，电机按同步电机的最大转速3000转来计算码盘脉冲的频率f=2000*3000/60Hz=100000Hz74LS192工作的最高频率为25MHz，能满足脉冲的需求555电路中设定输出的高电平T1为5ms最大脉冲数M=f*T1=500所以可以用三片74LS192构成模10*10*10=1000加计数器，能够满足计数的要求。CD4511输出的高电平的值为5V，红色数码管的压降为1.6V，点亮的正常电流为10——20mA，应串电阻，保证安全。R=(5—1.6)/10Q=340Q3.3整流电路与控制7805是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5v，刚好满足本电路的要求。用桥式整形电路，用四个二极管接成电桥形式，使在电压的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。起到很好的整形作用.构成的电路如图9。LM7805CT图9整流电路电路仿真将设计的整流电路的在计算机上进行仿真，其结果如图10。通过仿真可见，该电路满足设计的要求。-liO\■1■1■1■11--1LO0BO.ftnliO.ftmIW.ftm200.0m时间的）图10整流电路仿真结果用JK触发器做控制JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。根据触发器的功能，在外加门电路的配合下可以产生所需要的脉冲，这两路脉冲可以用于计数器的计数和清零。同理，这个电路产生的脉冲可以作为电机正反转显示的数码管的驱动。电路如11图。XSC1U2B74LS04DAZii.u—-TLT1?Qrd11〕XSC1U2B74LS04DAZii.u—-TLT1?Qrd11〕一14一」rSETJQ'CLK~QSET1040.0^1SO.O^i120.0^11W如200.0^1时间渺）图12计数脉冲15.0q；；::::::;r13.0IIIII1111040.0|1SO.O|1120.0^1160.0|d200.0|i时间那）图13计数脉冲4系统仿真将各分电路在门电路的配合下，连接成一个完整的电路，就是本设计的最终设计电路。设计完成的完整电路如图14。CKCKCKU6U2U1COREXFORICDLED100!100!0U74511BD_5V0U34511BD_5VD4U44511BD_5V3333437S158100LC4330nFC2l-330nCOMMONVOLT~&VREGLINEU10

LM7805CT；3I00uljDn4001D435-D2D3^974LS192DU5U874LS192D74LS192D74US04DLED2

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—74LS04D81V41kHz5V1kHz5VU6U2U1图14电机的转速M法电路图将此完整的电路进行仿真，仿真结果如图。图15电机的转速M法电路仿真结果5电路安装、调试与测试1安装方法与基本注意事项.1.1集成电路：认清方向，找准第一脚，不要倒插，所有IC的插入方向一般应保持一致，管脚不能弯曲折断

元器件的装插：去除元件管脚上的氧化层，根据电路图确定器件的位置，并按信号的流向依次将元器件顺序连接；导线的选用与连接导线直径应与过孔（或插孔）相当，过大过细均不好；为检查电路方便，要根据不同用途，选择不同颜色的导线，一般习惯是正电源用红线，负电源用蓝线，地线用黑线，信号线用其它颜色的线；连接用的导线要求紧贴板上，焊接或接触良好，连接线不允许跨越IC或其他器件，尽量做到横平竖直，便于查线和更换器件，但高频电路部分的连线应尽量短；电路之间要有公共地。在电路的输入、输出端和其测试端应预留测试空间和接线柱，以方便测量调试；布局合理和组装正确的电路，不仅电路整齐美观，而且能提高电路工作的可靠性，便于检查和排除故障。电路调试一、调试之前要熟悉各种仪器的使用方法，并仔细加以检查，避免由于仪器使用不当或出现故障而作出错误判断。二、测试仪器和被测电路应用有良好的共地，只有使仪器和电路之间建立一个公共的参考点，测试的结果才是准确的。三、调试过程中，发现器件或接线有问题血药更换或修改时，应关断电源，持更换完毕认真检查后方可重新通电。四、调试过程中，不但要认真观察和检测，还要认真记录。包括记录观察的现象、测量的数据、波形及相位关系，必要时在记录中应附加说明，尤其是那些和设计部符号的现象更是记录的重点。依据记录的数据才能把实际观察的现象和理论预计的结果加以定量比较，从中发展问题，加以改进，最终完善设计方案。同过收集第一手资料可以帮助自己积累实际经验，切不可低估记录的重要作用。使用仿真软件做出来后，还要进行接线，这时候整个电路的成功与否，就在最后的调试了。在这次电路的调试过程中，遇到两个问题：1、电路模块之间或者接线之间的干扰，导致在计数时数码管上显示的数并不如预期的变化，比如有时候是每计数到11时，本该到12的时候，十位也跟着变化了，变成22，在调整小部分接线之后，这个问题也解决了，计数器正常工作。2、第二个问题也是最关键的问题，关系到校时电路这一部分能否做出来的问题，在焊接的过程中存在短路和虚焊，而且实际与理论是有差距的，因此只能在电路板上进行调试。

图15555振荡电路的调试图16电路板的调试6结论经过调试，最终电路能够按要求工作，也满足最初的设计要求。电机的转速为n=6mlr/min其中ml为数码管显示的脉冲数。7参考文献【1】数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社【2】74LS192、NE555、BD4511等芯片数据手册八总结、体会和建议1实验总结在经过认真的设计后通过计算机的仿真，最后我们将各种器件放置在板上，将各器件安设计的要求进行了连接。在焊接的过程中也出现了一些问题，在调试后，解决了一些问题。最后在大家的努力下，完成了电路板。通过测试，电路能够进行计数，显示脉冲的数目，并且能够按要求自动启动，计数，保持，清零周期性的工作。电路在工作的过程中，应该先接通稳压电源部分，使电源提供稳定的电压后在进行计数的测量。并且能够根据电机正反转的不同，用不同颜色的发光二级管进行显示。我们可以通过脉冲数和电机转速的关系来得到最终的结果，2心得体会经过这段时间的课程设计，我学到了许多东西，对课本上的内容的理解加深了印象，同时也学会了一种学习的态度。理论要联系实践，当然实践也离不开理论，由于对课本的内容还不是很熟悉，所以在做这个课程设计前，我先把课本的重点知识复习了一遍，时序逻辑电路、组合逻辑电路等，然后就是到图书馆查找相应的资料，抱着好几本书就在那里认真地查，查的过程中也看到了很多关于CMOS芯片的应用实例。理论上的知识搞定了，接下来就是开始设计了。利用电脑软件进行设计，出现了一些问题，一些管脚的位置和实际的不一样，仿真调试不成功，于是我就想到，按照理论来讲这是没有错的，为了验证清除，我先将电路进行分模块调试，把每一部分都仔细检查了一遍，最终发现了与仿真的不同，接线是一样的，不过在真实的接线中可行，在仿真中却不行，最大一个不同之处就在于校时模块，虽然仿真是那种接法可行，不过在实际接线中我采用了另外一种接法。这次课程设计也再次让我看到理论与实践的差别和联系，理论固然重要，然而我们要在实践中发现错误，并解决错误，也提高了自己的动手能力和实际解决问题的能力。一种学习态度：认真、严谨的学习态度。这就是我的另一个收获，不仅仅是做课程设计，无论是做什么研究，都必须要有一种认真严谨的学习态度，比如说，独立思考独立完成，认真接线，仔细检查等，这些都是对我们自身能力的一种培养，在以后的学习甚至工作中，很多东西都只能靠自己去独立思考完成，因此我们也藉此学会了一种独立思考的学习态度。在做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。在实验过程中我们曾经遇到过问题。一个是在电路接好之后计数的显示结果不正确,经分析，检察后我们请老师帮我们检察了电路，知道了是电路导线坏了，于是改正了错误。我们遇到的第二个问题是有一个芯片忘记了接地。由于有好几百条连线，所以我们没有一时检察出问题，但是我们没有沮丧。在使用万用表测量各个接点电压后我们找到了原因。，但是从中我们学习到了如何对待遇到的困难，进一步培养了我们一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心。在实验的过程中我和我们组的成员始终在一起，我们互相讨论互相合作，使得我们的实验得以顺利完成，体会到了合作的力量，感受到了1+1>2致谢最终在我们小组的共同努力下板子最终做好了，接通电源后可以工作。这次课程设计增强了我的独立思考、解决问题和团结合作的能力，尤其是解决问题的能力。最终这次课程设计要特别感谢王晓兰老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在此我表示深深的感谢！同时也向本组组长陈建伦同学，以及同组表示感谢！附录图中各元件说明:序号名称元件编号参数备注U0变压器AIR_CORE_XFORMER1U1—U3数码显