數(shù)電課程設(shè)計(jì)----基于555定時(shí)器的調(diào)速電機(jī)的制作

1、<p>　　基于555定時(shí)器的調(diào)速電機(jī)的制作</p><p>　　Based on the 555 of the timer control motor manufacture</p><p>　　摘要：在電機(jī)的調(diào)速方面加入數(shù)字控制部分，設(shè)計(jì)一款數(shù)控直流電機(jī)。該電機(jī)使用數(shù)字方式調(diào)節(jié)，具有設(shè)計(jì)簡單、調(diào)節(jié)方便、安全的特性。適用于各種直流的電機(jī)的調(diào)速控制。利用555定時(shí)器對直流電機(jī)進(jìn)行

2、調(diào)速，與傳統(tǒng)的電壓調(diào)速方式比較安全方便。同時(shí)該作品可升級與微處理器相連接，增強(qiáng)人機(jī)交互與對電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　關(guān)鍵詞：555定時(shí)器；直流電機(jī)；控制</p><p>　　Abstract: In the motor speed regulating join digital control parts, design a numerical control dc motor

3、. The motor using digital mode adjustment, has the design is simple, convenient adjustment, safety features. Apply to all kinds of dc motor speed control. Use 555 to dc motor speed control timer, and traditional voltage

4、is safe and convenient way to speed. At the same time, this work can be upgraded and microprocessor connected to enhance human interaction and the real-time monitoring of the mo</p><p>　　Keywords: 555 the ti

5、mer; Dc motor; control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　0引言3</b></p><p><b>　　1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)3</p><p>

6、;<b>　　1.2電源部分4</b></p><p>　　1.2.1 供電電源部分4</p><p>　　1.3 脈寬調(diào)制部分4</p><p>　　1.3.1 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)5</p><p>　　1.3.2 多諧振蕩器工作原理5</p><p>　　1.3.3 脈寬調(diào)制計(jì)算

7、7</p><p>　　1.4 H橋驅(qū)動電路7</p><p>　　1.4.1 H橋驅(qū)動電路原理8</p><p>　　1.4.2驅(qū)動電路使能控制和方向邏輯9</p><p><b>　　2 結(jié)語10</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)- 11 -</p><p&g

8、t;<b>　　0引言</b></p><p>　　直流電機(jī)是電子技術(shù)中常見的設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、教學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制制作復(fù)雜、精度低、可靠性低且操作危險(xiǎn)性高。普通的直流電機(jī)調(diào)速裝置很多，但均存在以下問題：上端和交流電源連接，下端和直流電動機(jī)連接，直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機(jī)勵(lì)磁（定子），一路輸入給直流電機(jī)電樞（轉(zhuǎn)子），直流調(diào)速器通

9、過控制電樞直流電壓來調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂撇糠譀]有將電機(jī)供電電源隔離開，導(dǎo)致控制的危險(xiǎn)程度加大。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將控制模塊與電機(jī)驅(qū)動模塊隔離，通過NE555輸出不同脈寬的矩形波對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，制作簡單控制方便安全，具有很高的市場推廣價(jià)值。</p><p><b>　　1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)</p><p

10、>　　本系統(tǒng)以555定時(shí)器核心控制器，具有控制與驅(qū)動分離，控制脈沖輸出脈寬可調(diào)，且操作簡便等特點(diǎn)。其硬件原理方框圖如圖1.1所示。系統(tǒng)有555脈沖輸出電路、旋鈕調(diào)節(jié)電路、電源電路、H橋驅(qū)動電路、等部分組成。系統(tǒng)通過“旋鈕正旋+”、“旋鈕倒旋-”、調(diào)整555定時(shí)器輸出脈寬，H橋驅(qū)動電路根據(jù)接收的脈沖寬度對直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。</p><p>　　圖1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><

11、p><b>　　1.2電源部分</b></p><p>　　1.2.1 供電電源部分</p><p>　　電源部分輸入220v,50HZ交流電，輸出全機(jī)所需的+5v，主要供數(shù)控部分和驅(qū)動模塊使用。+5v作為數(shù)控供電的正電源，同時(shí)也是驅(qū)動輸出電路的主電源。如圖1.3.1和圖1.3.1所示。</p><p>　　1.3 脈寬調(diào)制部分</

12、p><p>　　555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。</p><p>　　1.3.1 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　555定時(shí)器是一種模擬

13、電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列如圖1.3.1所示。它由分壓器、比較器、基本R--S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個(gè)5 的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器、提供參考電壓，比較器 的參考電壓為，加在同相輸入端，比較器 的參考電壓為，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放 、 組成。高電平觸發(fā)信號加在 的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R--S觸發(fā)器 端的輸入信號；低電平觸

14、發(fā)信號加在 的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R—S觸發(fā)器 端的輸入信號?；綬--S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器、的輸出端控制。</p><p>　　圖1.3.1 555定時(shí)器內(nèi)部原理圖</p><p>　　1.3.2 多諧振蕩器工作原理</p><p>　　由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖1.3.2a所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。

15、其工作波如圖1.3.2b所示。設(shè)電容的初始電壓 ＝0，t＝0時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端 ＝0< Vcc，比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平（1表示高電位，0表示低電位），即觸發(fā)器置1，定時(shí)器輸出 0此時(shí) ，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)電阻向電容C充電， 逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時(shí)觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t< 期間，定時(shí)器輸出為高電平1。時(shí)刻上升到比較器 的輸出由1

16、變?yōu)?，這時(shí)觸發(fā)器復(fù)0，定時(shí)器輸出0 。期間 ，放電三極管T導(dǎo)通，電容C通過 放電。 按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)比較器 輸出由0變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的 ，Q的狀態(tài)不變， 的狀態(tài)仍為低電平時(shí)刻， 下降到三分之一Vcc ，比較器 輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的1，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出 。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出1 ，電容放電時(shí)電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號

17、輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫?lt;/p><p>　　圖1.3.2a 多諧振蕩器原理圖</p><p>　　圖1.3.2b 多諧振蕩器輸出波形仿真圖</p><p>　　1.3.3 脈寬調(diào)制計(jì)算</p><p>　　用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，接通電源后，電容C被充電，當(dāng)Vc 上升到三分之二時(shí)，使Vo為低電平，同時(shí)放電

18、三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過R4和T放電，Vc 下降。當(dāng)Vc下降到三分之一Vcc時(shí)，Vo 翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C放電所需時(shí)間為</p><p>　　當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容C充電，Vc 由三分之一Vcc上升到三分之二Vcc所需的時(shí)間為</p><p>　　當(dāng)Vc上升到三分之二Vcc時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)到低電平。如此周而復(fù)始，于是，在輸出端就輸出了一個(gè)周期性矩形波。周期為&

19、lt;/p><p><b>　　輸出振蕩頻率</b></p><p><b>　　輸出波形占空比</b></p><p>　　1.4 H橋驅(qū)動電路</p><p>　　圖1.4.1a中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而

20、電機(jī)就是H中的橫杠（如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。  圖1.4.1a H橋式電機(jī)驅(qū)動電路</p><p>　　1.4.1 H橋驅(qū)動電路原理</p><p>　　要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通

21、。例如，如圖1.4.1b所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。  圖1.4.1b H橋電路驅(qū)動電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動 圖1.4.1c所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流

22、過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。  圖1.4.1c H橋電路驅(qū)動電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動 </p><p>　　1.4.2驅(qū)動電路使能控制和方向邏輯</p><p>　　驅(qū)動電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿

23、過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。圖1.4.2a所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個(gè)信號就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在H

24、橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。</p><p>　　圖1.4.2a 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路 采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號控制：兩個(gè)方向信號和一個(gè)使能信號。如果DIR－L信號為0，DIR－R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（如圖1.4.2b所示）；如果DIR－L信號變?yōu)?，而DIR－R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過

25、電機(jī)。  圖1.4.2b 使能信號與方向信號的使用 </p><p><b>　　2 結(jié)語</b></p><p>　　本作品以555定時(shí)器為控制核心，以驅(qū)動電路為骨架，制作出了一款使用靈活方便，調(diào)節(jié)安全可靠的直流電機(jī)驅(qū)動電路。在制作過程中，以定時(shí)電路的搭建最為困難。我在調(diào)試過程中，嘗試著選用最合適的電阻電容，對脈寬進(jìn)行調(diào)制。由此我

26、們學(xué)到了從課堂上無法掌握的知識。尤其針對不同的功能，不同的場合，不同類型的三極管的方法。</p><p>　　我制作的數(shù)控直流調(diào)速裝置，利用555定時(shí)器設(shè)置速度大小，確保電路運(yùn)行可靠。輸入采用旋鈕方式，電路外表更加小巧美觀，操作方便，更加人性化。具有較高的使用和推廣價(jià)值！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]

27、 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分） （第五版）.北京：高等教育出版社2006.</p><p>　　[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[3] 高吉祥．電子技術(shù)基礎(chǔ)試驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社，2002．</p><p>　　[4] 高吉祥.模擬電子線路設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2007