电动机测速器

电子课程设计报告

题目：电动机测速器设计  

专业班级：电气工程及其自动化102

姓　　名：      王沁恒    

时    间：2012.05.30 ～ 2012.06.08

指导教师：    洪源    宋长源    

完成日期：2012年06月 08日

电动机测速器设计任务书

1．设计目的与要求

设计一个电动机测速器，要认真并准确地理解有关要求，完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：

（1）测量电动机每秒钟所转的圈数，监视电动机运转情况；

（2）自选所测电动机范围；

（3）4位数码管显示电动机转速（转/分）。

2．设计内容

（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；

（2）确定元器件及元件参数；

（3）电路仿真；

（4）SCH文件生成与打印输出；

（5）PCB文件生成与打印输出。

3．编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和电路图，有总结体会。

4．答辩

在规定时间内，完成叙述并回答问题。

摘要…………………………………………………………………………    1

1 引言………………………………………………………………………    1

2. 总体设计方案……………………………………………………………     1

2.1 设计思路………………………………………………………………    1

2.2 总体设计框图…………………………………………………………    1

3 设计原理分析……………………………………………………………    2

3.1转速测量原理……………………………………………………………    2

3.2开关型霍尔传感器介绍………………………………………………    2

3.3定时电路………………………………………………………………    3

3.4计数器电路……………………………………………………………    4

3.5驱动显示电路…………………………………………………………    5

4调试与仿真………………………………………………………………    6

5总结与体会……………………………………………………………        7

参考文献……………………………………………………………………   8

附录1………………………………………………………………………     9

附录2………………………………………………………………………   10

电动机测速器

摘要：本论文主要设计一个用霍尔传感器来测量电动机转速的电路，具有测量准确度高、采样速度快、测量范围宽等优点。该电路主要利用霍尔传感器采集脉冲信号，涉及到信号的采集，控制，计数，译码和显示。

关键词：测速器 霍尔传感器  555定时器  计数器

1.引言

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的次数，它是电动机极为重要的一个参数。它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试，以及故障检测与诊断的准确性，因此转速的高精度测试具有重要的意义。

2.总体设计方案

2.1 设计思路

该电动机测速器电路由霍尔传感器电路、定时电路、控制电路、计数电路、译码驱动、和显示电路组成。

利用霍尔传感器作为获取电动机转速信号的拾取元件，在电动机的转盘上安装磁钢，将霍尔传感器固定在适当的位置上，电动机转动一周，霍尔传感器得到一个脉冲，作为电路的计数脉冲。

计数脉冲通过计数器进行计数，为了满足电路的设计要求，通过555、R、C构成的多谐振荡器和单稳态触发器进行定时，通过控制电路来实现在要求时间内对霍尔传感器获取的有效转速信号进行计数。

计数电路选用十进制的计数芯片，该电路选用CD4518，译码器选用CD4511和数码管选用四个“8”字型数码管。

2.2 总体设计框图

图1 总体设计框图

3. 设计原理分析

3.1转速测量原理

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有测频法、测周期法,该系统采用了测频法。测频法：在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定但检测的起止时间具有随机性，因此测频法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此测频法适合于高速测量。

由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔传感器，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔传感器输出脉冲信号。

3.2开关型霍尔传感器介绍

霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁场传感器，是为了适应信息采集的一种新型传感器，具有工作频带宽，响应快、面积小、灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点。

开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成，如图2所示．从输入端1输入电压Vcc, 经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端，以提供恒定不变的工作电流．在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差Vw，该n信号经差分放大器c放大后送至施密特触发器D整形．输出低电位，此状态称为“开”当磁场达到“工作点”时，触发器D输出高电压(相对于地电位)，使三极管E导通，输出端Vo 。

图2 开关型霍尔传感器构成

图3 开关型霍尔传感器电路原理图

3.3 定时电路

555 定时器,是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

图4 555定时器的管脚图

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地；2脚：低触发端；3脚：输出端Vo；4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平；5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰；6脚：与2脚相反，为高触发端；7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电；8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18，一般用5V。

图5 555定时器构成的定时电路的原理图

3.4 计数电路

计数电路采用四个同步计数器接成串行工作方式，采用的是CD4518，管脚如下图6，该芯片是同步加数器，在一个封装种含有两个可互换的二/十进制计数器，其功能脚是1到7脚，9到15脚。

图6 CD4518管脚图

表1 引脚功能表

在驱动显示电路中，采用CD4511译码驱动，使用“8”字型数码管进行显数。CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，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显示器。其功能及管脚图如图7所示：

图7 CD4511 管脚图

3脚LT：做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出均为1，七段数码管全亮，显示为数字“8”，用以测试数码管是否正常；4脚BI：是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字；5脚LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值；A、B、C、D为8421BCD码输入端; a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端,与“8”字型数码管相连；8脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地；16脚：外接电源正段VDD。

图8 驱动显示电路

4调试与仿真

该电路设计用555定时电路定时1分钟，计算这一分钟内由霍尔传感器送到电路中的脉冲数，并通过显示电路显示出来，从而知道电机每分钟的转数。

在仿真的时候，用数字信号发生器代替霍尔传感器，起到产生信号的作用。由555定时器构成的多谐振荡器和单稳态触发器组成了定时电路，通过调节单稳态触发器上的电阻和电容的数值，来起到定时的作用。将电阻调为910千欧，将电容调为60uf，此时电路定时一分钟。信号进入计数电路后，传入到译码器，和数码管，此时数码管的示数即为电动机的转速。

整体的仿真电路图如图9所示：

图 9 电动机测速器仿真图

5总结与体会

为期两周的课程设计就要结束了，回首整个过程，仍会感到一些紧张，但更多的是充实，在设计电路的过程中学到了很多以前没有注意的知识。

刚拿到课程设计任务书的时候，感觉自己的题目很困难，有一种无从下手的感觉。可当自己真正的投入进去，通过去图书馆查阅资料，在网上搜索一些芯片资料后，发现困难一点点的被解决掉了，慢慢的，原理图出现了，仿真成功了。

以前在学习专业课时，感觉没有多少实际的用途，因而学习兴趣不高。通过这次的课程设计，我认识到了学校开设的课程都是有一定作用的，只是在学习的时候没有体会到罢了。以后要好好学习自己的专业课，勤于动手，把所学的用于实际的生活中，做到实践与理论相结合。

总之，这次的课程设计让我学到了很多东西，牢记了很多东西。体会到理论到实践有很大的距离，从理论到实践是一次质的跨越，只有把理论运用到实际中，才能体现知识的作用和价值。

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础(模拟部分)(第五版)[M]北京：高等教育出版社,2006.1

[2] 康华光.电子技术基础(数字部分)(第五版)[M]北京：高等教育出版社,2006.1

附录1 

附录1 电动机测速器原理图

附录2

附录2 电动机测速器仿真图