数字电路课程设计报告书课设名称：直流电机测速姓名：***学号：********学院：电控学院专业：自动化指导老师：完成日期：2012年3月目录一、题目名称及设计任务的选择（1）题目名称（2）设计任务的选择二、设计任务及设计要求（1）设计任务（2）设计要求（3）参考元件三、设计思路及设计原理（1）设计流程图（2）主要芯片说明（3）实验原理四、对设计方案的论证和比较五、电路所涉及的参数计算六、调试过程中的问题及解决方案七、心得体会八、附录（1）二极管的简易测试机管脚判别（2）电阻色环的识别及其色环对应表（3）题目所用电子元件清单九、实验照片十、参考文献一、题目名称及设计任务的选择（1）题目名称根据本专业的课程要求及需要和自己的兴趣，我们在此次课程设计中所选的题目是直流电机测速。
（2）设计任务的选择现代社会对电机的应用越来越广泛，利用电机可以带动很多的机器进行运转，这些机器为我们生产出必需的生活，工作和学习用品，可以说电机对我们的生活产生了很大的影响。
如果通过此次课程设计实践能设计出一个能对直流电机进行调速和测速的电路那我们将会受益匪浅，这是我们选择此题目的一个原因。
另外通过此次课设可以增进对电路的设计、操作和分析的技能，本题目涉及NE555定时器、计数器和逻辑与非们的应用，它们在以后的应用十分广泛，通过此次实践如果能把它们熟练掌握，这将为我以后的电子设计竞赛打下一定的基础。
综合以上我们决定做这个题目。
二、设计任务及设计要求（1）设计任务此次试验我们将要设计一个能对直流电动机运行速度进行调速和测速的电路。
（2）设计要求本题目的设计要求包括基本要求和扩展要求。
基本要求是设计一个脉宽调速电路，实现对直流电机转速的控制。
利用光电脉冲转换、整形、门控电路和计数电路测出直流电机的转速，并显示在数码管上。
要求转速可达到300转／分以下，越低越好。
扩展要求是在完成基础上加光电耦脉冲计数和相位判别电路，进而识别电机的转向，并由LED显示转向的正反。
（3）参考元件NE555,计数器74LS161，74LS00，稳流二级管，微型直流电机（15V），光电耦合管125C51（或红外收发模块），达林顿三极管TIP122，二极管1N4007，稳压二极管(5V),双刀双掷开关，其他电容、电阻若干。
三、设计思路及设计原理（1）设计流程图本课题包含一下几个模块：光电发生器、脉冲调整、驱动电路、直流电机、控制转向电路、测量转向电路、光电脉冲转换电路，脉冲整形、计数器、门控电路、脉冲显示电路。
具体设计框图如下：（2）主要芯片说明（1）NE555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
组成的施密特触发器可用于脉冲的整形，单稳态触发器可用于调整脉冲的宽度，多谐振荡器可用于提供方波信号。
因而NE555广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
其工作原理如下： 555电路的内部电路方框图如右图所示。
它含有两个电压比较器，一个基本RS 触发器，一个放电开关T ，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3CC V 和1/3CC V 。
A1和A2的输出端控制RS 触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3CC V 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1/3CC V 时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
D R 是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接VCC 。
Vc 是控制电压端（5脚），平时输出2/3CC V 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0.01uf 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电路。
① 组成施密特触发器电路如图3-1所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。
图3-2画出了S V 、Vi 和V o 的波形图。
设被整形变换的电压为正弦波S V ，其正半波通过二极管D 同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi 为半波整流波形。
当Vi 上升到2/3CC V 时，V o 从高电平转换为低电平；当Vi 下降到1/3CC V 时，V o 又从低电平转换为高电平。
回差电压：△V=VCC VCC VCC 313132=-图3-1 555构成施密特触发器 图3-2 555构成施密特触发器的波形图② 构成单稳态触发器如右图为由555定时器和外接定时元件R 、C 构成的单稳态触发器。
D 为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T 导通，输出端V o 输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi 端。
并使2端电位瞬时低于1/3CC V ，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C 开始充电，Vc 按指数规律增长。
当Vc 充电到2/3CC V 时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出V o 从高电平返回低电平，放电开关管T 重新导通，电容C 上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图如下：暂稳态的持续时间T w （即为延时时间）决定于外接元件R 、C 的大小，T w =1.1RC 。
通过改变R 、C 的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
③ 构成多谐振荡器如图3-4，由555定时器和外接元件R 1、R 2、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，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R 1、R 2向C 充电，以及C 通过R 2向放电端C D 放电，使电路产生振荡。
电容C 在2/3CC V 和1/3CC V 之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3-5所示。
图3-4 555构成多谐振荡器 图3-5 多谐振荡器的波形图 输出信号的时间参数是： T=21w w t t16 15 14 13 12 11 10 974LS1601 2 3 4 5 6 7 8Vcc C Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 ET LD ’1w t =0.7（R 1+R 2）C 2w t =0.7R 2C其中，1w t 为V C 由1/3CC V 上升到2/3CC V 所需的时间，2w t 为电容C 放电所需的时间。
（2）74LS160是一个具有异步清零、同步置数、保持和计数功能的四位二进制加法计数器，其共有十个状态（0000～1001），即N=10。
其中，D 0~D 3为输入端，Q 0~Q 3为输出端，C 为进位端，CP 为脉冲输入端，EP 、ET 为状态控制端。
其功能表如下：CLK RD ’ LD ’ EP ET 工作状态 × 0 × × × 置零 ↑ 1 0 × × 预置数 × 1 1 0 1 保持× 1 1 × 0 保持（但C=0） ↑ 1 1 1 1 计数下图为74LS160的管脚图、芯片图和电路图，(3) LM 358 其内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，，电源电流与电源电压无关，它的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
其管脚结构如右图：R D ’ CP D 0 D 1 D 2 D 3 EP GND3-6 74LS160管脚图3-7 74LS160芯片Q A 14Q B 13Q C 12Q D11RCO 15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LO AD 9~CLR1CLK 2U274LS160D（4）光电耦合管光电耦合管是一个光感应器，当光通路被阻断，则电流中断，所以它可以用来对电机转数进行监测，电机每转一圈即阻断耦合管的光路一次，从而在光电耦合管的输出端送出一个个脉冲，提供计数器的脉冲输入。
（3）实验原理本课题的原理如下：此电路包括驱动控制、计数和计时三部分。
驱动控制部分：利用NE555组成一个多谐振荡器提供100Hz的方波信号，此信号通过由NE555组成的单稳态触发器调整脉冲的宽度，通过调节信号的占空比，可以控制电机的转速，然后再经一个由达林顿三极管组成的驱动电路使直流电机能够转动起来，同时由双刀双掷开关组成的控制转向电路可控制电机的转向，利用二极管的正向导通特性测量电机的转向，从电机正极引出的线经电阻后，到达数字箱上的二极管，当其亮时，说明直流电机正转，如不亮则反转。
计数部分：电机不断转动，光电耦合管就不断地发出信号，此信号通过一个脉冲整形电路传给计数器，此计数器是由三个74LS160组成的三位计数器，每来一次脉冲计数器就自动计一次数，计数器的输出端接到数码管上，从而显示电机的转数。
计时部分：此部分利用NE555组成一个多谐振荡器提供1Hz的方波信号，此信号作为60进制计数器的计数脉冲，每来一个脉冲计数器计一次数，计数器可显示0—59的数，此计数器个位的Q0、Q3端和十位的Q0、Q2端都通过一个四线与非门，输出端一面接到上面计数部分个位计数器的EP 端，一面与1Hz方波信号共同经过一与门接到60进制计数器的CLK端上，当60进制计数器计到59时，60进制计数器会停止计数，同时上述计数部分的计数器也会停止计数。
当前数码管上显示的数就是直流电机一分钟的转数。
四、对设计方案的论证和比较1、驱动控制部分（1）方波发生器电路为NE555组成的多谐振荡器，提供100Hz的方波信号，其3管脚为输出管脚,为电动机提高信号.5VVC C U 11D IS 7O U T3R ST 48TH R 6C O N5TR I2G N DVC CLM555C NR 14.8k ohmR 24.8k ohmC 11u FC 20.01uF图4-1多谐振荡器下面两图分别为仿真波形和实际波形。
图4-2 仿真波形 图4-3 实际波形（2） 脉宽调整电路 电路是由NE555组成的单稳态触发器，改变滑动变阻器R3的阻值，从而改变脉冲的宽度，实现对直流电机转速的控制。
15VVC CU 21D IS 7O U T3R ST 48TH R 6C O N5TR I2G N DVC C555_VIR TUALC 31u FC 40.01uF50%6k O hm Ke y = a R 3图4-4单稳态触发器5VVC CU 21D IS 7O U T 3R ST 48TH R 6C O N5TR I2G N DVC CLM555C NR 14.8k ohmR 24.8k ohmC 11u FC 20.01uFU 11D IS 7O U T 3R ST 48TH R 6C O N5TR I2G N D VC CLM555C N50%10k O hm Ke y = aR 3C 31u FC 40.01uF图4-5脉宽调整电路仿真连接图下图为经单稳态触发器之后的仿真波形和实际波形：图4-6 经单稳态触发器的仿真波形 图4-7 经单稳态触发器的实际波形 （3） 驱动控制测向电路 此电路是用达林顿三极管驱动的，电流被达灵顿放大带动直流电机运转。