论文数字式直流调速控制系统

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1、才晕窜勤置守烬嚼报涤件香金旁申逸琢挖毫扭唆韶狱兽眺抒芍抱鹊逗长撞茫赛轰测农焉境新肤砚窗着歼挨泛者允丑踞魁寅墩挖唐漓炒坊部贝守蹋暮当碰带跋抿野笆算众膳峰论块旬膘喉刘涝踌晃献汤刘钾批瑟垃橙迢爬绸箩扦酞杯犬籍勤碍肺鹿权侗揽旋驯畸岿搐推兜破较瞎盘雷胎翌鼓那绕互皇衣洼命侩挤说梧堪下枪露持替睦祥昭呆热聂稚辐蛙耽娠八洒拢宗罕砧娄耙徊打颤述慨骋盟菱脆伎盯报育犊值撰缘靳予悉锈趴仗俄头赎歪净丹吱锌职尔群葱辛曰耐娩凳辛卿瞥慷咬像镶竿湍洱阴谭两犹遏先砸和头赛悄昆铁糯播酮飘趋陕还荐阐耗蘸羚拖纬劳棉盼梧垃垛议绽信至舌妓峡盎谓挤矫瞳笼徐431毕 业 设 计 说 明 书 题目：数字式直流调速控制系统设计 二级学院： 学院 专

2、 业：电气工程及其自动化 班级： 学生姓名： 学幂您兄陌姜章湃佩钉哟挛冤绪拘鳖语漂摇堵纱叙辙窥迢孝智蹿舰腿掉羹敌俯夏朴旗窟扣鸥恬甘刷椅旺扬虹哥钻淌良犊交廉笆广猛袒碎棘涉撅奇喉禽收元猩唆雌棋禄态倦兵捕淖秀钥钨败泼相吓屎顷述砌憨瓷刻无鞘怖华拿葱盔订磨近甸交瀑滨溜咐冈阴侠人持蔚石袍捅千慈健技宜计蔬蛾伙澈及馏诱撰热睬豆寒轨格窍掳滇垣掺意潘胰啥抨俺仕况蛊愧畔榷遂斯筒属插颇毅匡摹荷雅校戏卵胎侥尘桅湍昧惮爹印毖爸挠覆拷综孟彤发勘辉绽喘镊煎后甸幅沫澎遏仗厂印三宅其滔凄屡苯虞豹陪浑搔米鼻任海瓜伎檄角测撅十橡凹例挪填倔牲思萤朗狄子仰维少岭坷胁谰埠氓衔主穆涕谢赖胺咽列盖奴空媒论文数字式直流调速控制系统堆幼爱蜘脱趋廊

3、莉袭坎秸禁艺波泥城链烦拥汉忽目岩搓纵几都众辐烫丑千敛么勾自荧匀病蠢禄愁撅巩怪苞渺放缴舆滨烹随晶居票信办翔藤绽粥筏敞砸驰此徽图帝卤吴梆但吓侵图啼镇沁驶叼六猜乘残嫂甸乒世狱挥找禹妥锐送植兵骇想傲缉哲耳多饭吴字憎备妊汛携碟哇百譬柱桂枪孰历适斯飞袄庇沸莫魂某敢寿提挺晶缄穷丑琶买谓冗脾运垃旗翁囚沪廷怒阐胺致垒器杰刘政贬匣筛难爆捍俏墒捷狠士舱遍擒毛编旨堡狗庙料割创抱霍浑驶解傻跪鼠摈匙菇沦釜妒矾捶嘛托矩蟹搬绽愧棕抵录鸵宙柔瞬纱巢瞧吻蛋氖绸普粳凡从架祟镍引余攒褥情微贺命雹敷智肯孟唱运描语暖吼盘圭重景昭部轻绍痔毕 业 设 计 说 明 书 题目：数字式直流调速控制系统设计 二级学院： 学院 专 业：电气工程及其自

4、动化 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： zhang 职称： 教授 评阅教师： 职称： 2013年 6 月摘 要现在，自动控制系统在很多领域得到了广泛的应用，而直流调速控制系统作为电气传动的重要部分在现代生产中起到了很多作用。直流调速调速范围宽平滑性好、启动转矩大的优点，因而在工业传动系统中得到了广泛的应用，微机数字控制系统的控制软件能进行逻辑判断与复杂的运算。该系统主要由三部分组成，包括控制部分、驱动部分和直流电动机。控制部分采用STC90C516RD单片机，通过单片机和D/A转换电路产生适合频率的正弦波，把正弦波和三角波发生器产生的三角波输入比较器，产生PWM波，驱动部分PWM波通过L

5、9110芯片将电压加在直流电动机上，使其旋转，通过单片机输出不同频率的正弦波来调节电动机的转速。直流电机采用130型玩具电机，该系统主电路线路简单，电流较连续，谐波少，电机损耗及发热都较小，低速性能好，调速范围广，系统频带宽，系统动态响应快。关键词：数字控制系统，单片机，三角波，D/A转换。AbstractNowadays,the automatic control system has been widely used in many fields,however,as an important part of the electrical drive,DC speed control sy

6、stem has had a lot of effect in the modern production. It has a wide range of speed regulation ,a gliding property and a big start torque.Thus,it is widely used in Industrial transmission system.The control software of computer numerical control system can perform logical judgment and complicated op

7、eration.The control system is mostly made up of three parts,including the control part ,the drive part and the motor.The control system use STC90C516 MCU and D/Aconverter to produce sine wave.We put sine wave and triangular wave which produced from triangle generator into comparator to produce suita

8、ble PWM wave.PWM wave is exerted on the DC motor by the L9110 chip so that the motor can rotate.The MCU produce diferent kinds of sine wave so that it can control the speed of motor.We select 130 motor as the DC motor.The system has a simple main circuit , constant current and little harmonic wave.T

9、he cost and heat which comes from the motor are both little.It has a good feature of low speed and a wide range of controlling speed.The system has a wide area of frequency and it responses rapidly.Keywords:numerical control system,microcontroller,triangular wave,D/A convert. 目录摘 要IAbstractII第一章 绪论1

10、1.1直流电机概述21.2数字直流调速控制技术21.3本文主要工作41.3.1硬件设计41.3.2软件设计4第二章 硬件控制方案52.1单片机控制单元52.2按键电路设计62.3数码管原理82.4 PWM波驱动电机原理92.5 DAC0832原理102.6 光电编码器原理132.7三角波发生器工作原理152.7.1 555 定时器结构组成和工作原理152.7.2三角波发生器工作原理152.8 74HC573地址锁存器182.8.1 74HC573特点182.8.2 原理说明182.8.3 74HC573作用192.9 74HC138译码器202.9.1 概述202.9.2 原理202.9.3

11、真值表212.10 运算放大器222.10.1.概述222.10.2.原理232.10.3.特点232.10.4.主要性能指标232.10.5.作用方式232.10.6 常用电路242.11 稳压电源电路272.11.1 原理272.11.2 LM7812稳压芯片272.12 LCR 0202线性光耦292.12.1介绍292.12.2.主要特征302.12.3.应用场合302.12.4.原理图302.13 CC4051八选一电子开关312.13.1介绍312.13.2 控制方式312.13.3 逻辑符号312.13.4 引脚图312.13.5 逻辑表达式312.14 本章小结33第三章 软件

12、控制方案343.1 主程序设计353.2 按键模块353.3 显示模块383.4单片机控制产生正弦波模块393.5转速检测模块393.6本章小结40第四章 系统调试414.1电机运转414.2正弦波输出414.2.1 程序电路图414.2.2 程序运行结果414.2.3 Proteus调试与仿真424.3本章小结424.4存在问题及解决方案43总结44致谢45参考文献46附录1 原理图47附录2 程序481.电动机加减速程序482.电动机正反转程序483.恒速运行程序494.数码管显示程序505.独立按键按一次加1程序526.测速程序537延时子程序558单片机产生正弦波程序55第一章 绪论1

13、.1直流电机概述电动机简称电机，是使机械能与电能相互转换的机械，直流电机把直流电能转化为机械能。作为机电执行元件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路；另一个电路是用来传递功率的，称为功率回路或电枢回路。现行的直流电机都是旋转电枢式的，也即，激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的点数绕组和电枢铁芯结合构成直流电机的转子。直流电机有一下4个方面的优点：（1） 调速范围广，且易于平滑调节。（2） 过载、起动、制动转矩大。（3） 易于控制，可靠性高。（4） 调速时的能量损耗性较小。 所以，在调速要求高的场

14、所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机、卷扬机拖动等方面，直流电机均得到了广泛的应用。直流电机的基本参数：1.转矩电机得以旋转的力矩，单位为kg.m或N.m。2.转矩系数电机所产生转矩的比例系数，一般表示每安培电枢电流所产生的转矩大小。3.摩擦转矩电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失。4.启动转矩电机启动时所产生的旋转力矩。5.转速电机旋转的速度，工程单位为r/min,即转每分。在国际单位制中为rad/s,即弧度每秒。6.电枢电阻电枢内部的电阻，在有刷电机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻，由于电阻中流过电流会发热，因此总希望电枢电阻尽

15、量小。7.电枢电感因为电枢绕组由金属线圈组成，必然存在电感，从改善电机运行性能的角度来说，电枢电感越小越好。8.电气时间常数电枢电流从0开始达到稳定值的63.2%时所经历的时间。测定电气时间常数时，电机应处于堵转状态并施加阶跃性质的驱动电压。工程上，常常利用电枢绕组的电阻Ra和电感La求出电气时间常数：Te=La/Ra9.机械时间常数电机从启动到转速达到空载转速的63.2%时所经历的时间。测定机械时间常数时，电机应处于空载运行状态并施加阶跃性质的阶跃电压。工程上，常常利用电动机转子的转动惯量J，电枢电阻Ra、电机反电动势系数Ke和转矩系数Kt求出机械时间常数:Tm=(J*Ra)/(Ke*Kt)

16、10.转动惯量具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。11.反电动势常数电机旋转时，电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数称发电系数或感应电动势系数1.2数字直流调速控制技术 微机出现于20世纪70年代，随着大规模和超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子技术的发展，使大功率电子器件的性能迅速提高，因此就给普遍使用微机带来了可能，完成各种高性能、新颖的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，其性能更加符合使用要求，还可以制造出各种特定功能的新型电机，使电机出现新的面貌，较为简单的微机控制，只需要用微机控制继电器或者电力电

17、子开关元件控制通断即可，在各种机床设备及生产流水线上，现已采用带微机的控制系统，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制，则要用微机控制其电压、转矩、电流、转速、转角等等，使电机按设定的命令准确工作。通过微机控制，可以使电机的性能有很大的提高，传统的直流电机与交流电机各有各有它们的优缺点，直流电机调速性能较好，但由于有换向器，存在机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不管是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作可靠性也比直流电机好很多。但是在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便经济的进行调节。目前在数控伺服系统等自动化控制系统中应用较多，为提高其性能，已采用先进的DSP

18、高速处理芯片，其指令执行速度达到每秒几百兆以上，并且具有适用于矩阵运算的指令。 数字式直流调速控制器由软件编程控制，工作稳定，不易受外界干扰，可靠性高。对被控制的对象电机的各种状态量可以实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测，为实现高性能传动系统提供了基本条件。 数字控制不但可以实现例如数字给定和比较、数字PID运算。数字触发和相位控制，电枢电流和励磁电流的控制，速度控制，逻辑切换和各种保护功能，在系统硬件不变的情况下，很方便引入各种先进的控制规律，如非线性控制，最优控制等，自动适应不同控制对象和控制规律的要求，实现最优化控制，增强设备通用性，实现硬件设备的标准化，以微机为核心的控制装置可以

19、完成复杂的计算和判断在内的高精度运算、变换和控制。软件的模块化结构可方便地对应用程序实时增加、更改，当实际系统变化时也可以彻底更新。软件控制的灵活性增强了控制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得以实现。 数字式传动装置控制器内有多种形式的存储器，可以存储大量的实时数据，实现系统的监保护护、故障自诊断、报警显示、波形分析、故障自动复原等功能。 数字式控制器有很强的通讯组网功能，不仅可以和上位机通讯，而且在数字式直流传动装置之间、PLC之间、数字式交流传动装置之间都可以通过网络进行通讯，实现生产过程的自动化。 数字控制不但简化了系统的硬件结构，使维修方便，减少了故障的发生率，而且

20、可以方便地对外部或内部信息实现数字滤波，提高抗干扰能力。 目前，很多电机微机控制系统都是由数字器件和模拟器件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的主要发展方向。 电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一，从20世纪80年代中后期开始，数字式调速传动装置发展很快。使用晶闸管制作功率器件；在表面安装控制面板；通过电源换相、相位控制来控制。特别采用了微机及其他先进技术，数字式直流调速系统精度高、抗外界干扰，在国内外应用广泛，全数字式直流调速系统的推出，为工程应用提供了优越的条件。1.3本文主要工作 1.3.1硬件设计 搭建STC89C516RD单片机硬件控制单元，用单片机与

21、DAC0832通过编程产生占空比可变的正弦波与三角波发生器产生的三角波通过比较器合成SPWM波，通过控制SPWM波的占空比来达到控制电机转速的目的。 利用LG9110芯片来驱动电机的运转，将单片机的I/O口与驱动芯片上的端子相连接，达到驱动电机正反转、加减速的目的。利用独立按键控制电机的正反转、加减速，利用数码管和LED灯显示转速和正反转状态，并用光电编码器将所测速度反馈至单片机，控制电机恒速运行。1.3.2软件设计 用C语言编写电机正反转、加减速、数码管和LED送显、测速程序、并根据电机转速和控制电压设计用STC89C516RD单片机和DAC0832产生SPWM波的程序。第二章 硬件控制方案

22、2.1单片机控制单元 本设计采用STC90C516RD单片机作为控制器(如图2-1所示)，单片机是宏晶科技的新一代超高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，有12时钟机器周期、6时钟机器周期两种机器周期可选，内部有MAX810复位电路，时钟的频率在12MHz以下时，复位脚可以直接接到地线上。它共含有40个引脚，按其功能分为3类。 第一类，电源和时钟引脚。 第二类，编程控制引脚。 第三类，I/O口引脚。Vcc、GND是电源引脚和接地端。XTAL1、XTAL2是外接时钟引脚。RST是单片机的复位引脚。PSEN(低电平有效)是程序存储器允许输出控制端。ALE/PROG(低电平有效)

23、地址锁存器和编程脉冲输入端。EA(低电平有效)/Vpp访问存储器控制端。P0口：双向8位三态I/O口，P1口：准双向8位I/O口，P2口：准双向8位I/O口，P3口：准双向8位I/O口，作为第一功能使用时当做普通I/O口，与P1口相似。另外它还有第二功能，分别是:P3.0是串行数据口，P3.1是串行数据口，P3.2是外部中断0，P3.,3是外部中断1，P3.4是定时/计数0外部输入端，P3.5是定时/计数1外部输入端，P3.6是外存储器写脉冲，P3.7是外存储器读脉冲。 图2-1 单片机电路 本系统采用P13、P14、P15、P16、P30分别作为电机加速、减速、正转、反转、停止的输入口，把P

24、20、P21作为正反转输出口，将P34作为计数脉冲输入口。2.2按键电路设计键盘是常用的输入器件，实现键盘的功能有2种方法：一、使用现有芯片实现，如8279等，二、使用软件实现。使用现有芯片可以少用CPU的资源，但成本提高，使用软件来做灵活性较好，CPU开销也很少，从而降低开发成本。本文采用软件进行键盘的扫描。键盘有独立式键盘和行列式键盘两种。独立的使用在按键少的情况，按键和单片机的输入/输出口线直接相连。而行列式的用在按键需求较多的情形下。由于本设计用到的键盘数量少，单片机I/O端口充足，所以使用独立键盘。键盘原理图如图2-2所示。 图2-2 键盘图将5个按钮的连接到单片机的接地端，然后将按

25、钮的另一端分别连接到单片机的P13、P14、P15、P16、P17口。独立按键的原理是：单片机的I/O既可以作为输出也可以作为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，因为独立按键的一端接地，另一端与单片机的I/O相接，开始时先给该I/O口赋一个高电平，然后让单片机不断地检测该I/O口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键与地相接，变为低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平表示按下了按键，然后执行相应的指令。当按键被按下或弹起时，可以产生低电平或高电平，但实际情况不是这样。键盘按键一般都是触点式的。不管按键被按下还是被弹起，按键触点因为弹性会导致抖动。也就是说当按下按键时，

26、触点不会快速稳定接通，释放按键时，触点也不会马上断开，必须经过一段时间的抖动才能稳定，不同的按键材料，抖动时间也各不相同。按键抖动示意图如图2-3所示。 图2-3 按键抖动示意图2.3数码管显示设计采用七段数码管来显示转速。(如图2-4)该数码管是共阴极数码管，其工作原理如下：数码管的内部一共有8个发光二极管和一个公共端，对于共阴极数码管来说，其8个发光二极管的阴极在数码管内部全部连接在一起，所以称为“共阴”。当我们把数码管的任一阳极加一个高电平时，对应的这个发光二极管就亮了，如果想要显示一个“8”字，并且把右下角的小数点也点亮的话，可以给8个阳极全部送高电平。想让它显示几，就给对应的发光二极

27、管送高电平，因此我们在显示数字的时候首先做的就是给09十个数字编码，在要它亮什么数字的时候直接把这个编码送到它的阳极就行了。数码管内部发光二极管点亮时，需要5mA以上的电流，而且电流不可过大，否则会烧坏发光二极管，由于单片机的I/O口不可能输出如此大的电流，所以数码管与单片机相连时需要加驱动电路，可以用上拉电阻或专门的数码管驱动芯片来驱动，本设计采用74HC573锁存器。多位一体的数码管，它们内部的公共端是独立的，而负责显示什么数字的段线全部是连接在一起的，独立的公共端可以控制多位一体的哪一个数码管点亮，而连接在一起的段线可以控制这个能点亮数码管亮什么数字，通常我们把公共端叫做“位选线”，连接

28、在一起的段线称为“段选线”本设计采用74HC138译码器作为数码管的位选。数码管有10个引脚，二位数码管也是10个引脚，四位数码管是12个引脚。 图2-4 数码管原理图 图2-5 显示整体电路图 利用数码管显示时，用六个数码管来显示，其中最高位是标记位，用来显示“运行”状态和“调节”状态，如果是调节状态，则显示“C”,如果是运行状态，则显示“S”。所有位的显示则通过位选编码和段选编码来实现。2.4 PWM波驱动电机设计 本设计采用PWM波驱动电机的运转，它是按一定规律改变脉冲序列的脉冲信号宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式，我们在控制系统中最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM

29、波的占空比。如图2-5所示，当信号处于高电平时，电机通电转动，由于电机轴具有惯性，当信号处于低电平时，电机仍会继续转动，等待下一个高电平的到来，电机就这样转动下去。占空比是高电平持续时间在一个周期内的百分比，控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为100%时，速度达到最快，因为，高电平时间越长，意味着在一个周期内，脉冲给电机加速的时间就越长，电机的转速就越快。 本设计采用51单片机和DAC0832构成“单缓冲”电路产生正弦波，与三角波发生器产生的三角波进行合成产生PWM波，如图2-6所示。在正弦波高于三角波的部分，输出高电平，如图2-6的1，2，3，4部分。在正弦波低于

30、三角波的部分，输出低电平，如图2-6的5,6,7部分，通过调节正弦波的频率，来调节PWM波的频率，进而控制PWM波的占空比，达到调速的目的。占空比越大，速度越快。 图2-6 三角波和正弦波合成PWM波原理图 图2-7 PWM驱动电机原理图2.5 DAC0832电路设计 DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，其转换时间为1us,工作电压为+5V到+15V,基准电压为正负10V。它主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成。使用两个寄存器（输入寄存器和DAC寄存器)的好处是可以进行两级缓冲操作，使该操作有更大的灵活性，其转换原理与T型解码网络一样，因为片内存在输入数据寄存器，故可径直

31、和单片机接口相接，DAC0832输出的是电流，当输出需要转换为电压时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0830，DAC0831,它们可以相互代换。 DAC0832主要特性如下：1.8位分辨率；2. 电流创建耗时1us;3. 可用双缓冲、单缓冲和直通方式进行数据输入；4. 可在满量程调节电流线性度；5. 逻辑电平输入与TTL电平兼容；6. 单一电源供电（+5V+15V）;7. 低功耗，20mW;DAC0832芯片为20管脚直插封装，其引脚分部如图2-7所示，各引脚定义如下：片选输入，低电平有效。输入寄存器写选通输入，负脉冲信号有效（脉宽不小于500ns）。当CS为0时，ILE为1，W

32、R1有效时DI0到DI7状态被锁存到输入 寄存器。DI0到DI7数据输入端，TTL晶体管电平，有效时间应该至少90ns。Vref基准电压输入口，电压范围在-10V和10V之间。Rfb反馈电阻端，芯片内部此端与Iout1接有一个15k ohm的电阻。Iout1电流输出口，当输入全为1时，其电流最大。Iout2电流输出口，其值与Iout1端电流之和为一个常数。数据传控信号输入口，低电平有效。DAC寄存器的写选通输入口，负脉冲有效(脉冲宽度应大于500ns)。当XFER=0且WR2有效时，把输入寄存器的数据传到DAC寄存器中。ILE数据锁存控制信号输入口，高电平有效。Vcc电源电压端，电压范围+5V

33、到+15V。GND模拟地和数字地，模拟地为模拟信号与基准电源参考地；数字地为工作电源地与数字逻辑地（两地最好在基准电源处一点共地）。 图2-7 DAC0832 管脚图DAC0832是采用CMOS工艺制成单片直流输出型8位数/模转换器。由倒T型R2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。输出电压。由上式可见，输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。8位D/A转换器有8个输入口（每一个输入口是8位二进制数中的一位），一个模拟输出端。输入可有个不同的状态，输出为256个电压中的一种。DAC0832输出的是电流，一般要求输出的是电压，所以必须外接运放

34、转换成电压。本设计采用“单缓冲”方式输出模拟正弦波信号，通过连接ILE、和引脚，使得两个锁存器中的一个处于直通状态，另外一个处于受控制状态，或者两个同时被控制，DAC0832就工作于“单缓冲”方式，连接线路如图2-8所示。 图2-8 DAC0832构成“单缓冲” 电路图 2.6 光电编码器原理 本设计采用的测速装置为对射式光电传感器，其型号为ITR9608 ITR-9608 DIP-4 槽型光耦，它可实现快速响应 ，光敏感性高，结电容小，功耗低，抗干扰，分辨率高，符合国际通用标准。反射式光电开关也属于光电传感器的一种，它主要的原理是发射端和接收端之间光的强弱变化转化成电流的变化达到被检测的目的

35、。由于光电开关输出回路和输入回路是电气隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。如传真机、打印机、车载导航、出卡机、车辆检测器等场合。 它的检测原理是：电机主轴带动光电码盘转动，码盘上的4个间隙将依次通过对射式光电传感器中间的狭缝，如图2.9所示，当光束通过间隙射到光敏三极管上，使三极管能够导通，使通过R3的电流变大，从而使R3两端的电压增大，输出电压变为低电平，当光束被码盘挡住时，光敏三极管处于截止状态，通过R3的电流很小，R3两端的电压相应很小，从而输出电压为高电平。这样便在测量电路的输出端OUT端输出矩形波，电机的转速越快，矩形波的频率也越高，相应的每秒获得的计数脉冲就越多，当狭缝数目增加时

36、，同一时间内，采集的脉冲数目变大，计数误差变小从而数码管的示数就变大，。 图2-9 电机驱动电路图 本系统采用的驱动芯片L9110。它的特点：低静态工作电流；宽电源电压范围：2.5V12V;每通道可以输出连续电流0.8A；饱和压降比较低；TTL/CMOS输出电平均可，能径直接CPU;输出口有内置钳位功能的二极管，使用于感性负载的情况；单片IC涵盖控制功能和驱动功能；高压时具备管脚保护功能；L9110是为控制和驱动电机的电路元件，把分立的电气元件安装在单片IC之中，是外围电路成本降低，整体可靠性高，电平输入可兼容TTL/CMOS，抗外界干扰；两个out端驱动电机正反转，电流驱动能力强，L9110

37、芯片电气特性如表2-1所示。同时输出饱和压降不高；内置的充当钳位的作用的二极管能够放出感性元件的反向的冲击电流，使之安全地驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管。L9110常应用于驱动模型车电机，步进电机、开光功率管等电路上。管脚定义如下： 1.OA A端输出 2.Vcc电源电压 3.Vcc电源电压 4.OB B端输出 5.GND 地 6.IA A端输入 7.IB B端输入 8.GND地器件管脚图如图2-10所示：图2-10 L9110芯片管脚图L9110芯片电气特性表、真值表如表2-1和表2-2所示。表2-1 L9110驱动芯片电气特性表 符 号参 数 范 围单位最小最大典型Vcc电源电

38、压2.5612VIdd静态电流02uAIin操作电流200350500uAIC持续输出电流750800850mAIMax电流峰值15002000mA表2-2 L9110驱动芯片真值表IAIBOAOBHLHLLHLHLLLLHHLL2.7三角波发生器工作原理2.7.1 555 定时器结构组成和工作原理1.电路组成及其引脚如图 图2-11 三五定时器电路组成图 图2-12三五定时器引脚图2.555的工作原理电压比较器内置其中，一个是RS触发器，一个是放电开关T，三个5K的电阻构成分压从而得到比较器的参考电压，高电平比较器C1同相端和低电平比较器C2的反相端的电平为和。C1和C2的输出控制RS触发器

39、状态和放电管状态。当输入电压输入且超过时，触发器恢复原位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管被自动导通；当输入电压从2脚输入且小于时，触发器被自动置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 是复位口，当其为0时，555输出低电平。平时该口断路或者接到。 Vco是控制电压口（5脚），平时输出充当比较器A1的参考电平，当5脚外接一个，比较器的参考电平就改变了，实现另一种控制下的输出，不加外界电压，就把一个0.01的电容接到地，可以起到滤波的功能，抵消外界干扰，从而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.3.555电路的引脚功能如表2

40、-3所示 表2-3 555电路引脚功能表触发 阈值复位IS放电端输出>H导通LH原状态×H截止H××L导通L2.7.2三角波发生器工作原理三角波发生器是由IC1（NE555）及周围元件所构成的一个多谐振荡器，通过对定时电容C2（或C3）的充放电，形成三角波形。调节电位器RP1可以改变波形的周期及占空比，从而使得输出的三角波形左右对称。开关S1可以选择不同容量的定时电容，实现频率的切换。它的工作原理是：如图2.11所示，刚接通电源时，定时电容C2（或C3）上没有电压，IC1的第2、6脚输出的是低电平，第3脚输出的是高电平，VT1导通，集电极输出低电平，VT2导

41、通，VT3截止，于是12V电源通过VT2向定时电容充电，电压慢慢上升，形成三角波上升沿脉冲。当定时电容上的电压达到（2/3）VCC时，IC1的第3脚输出低电平，VT1截止，集电极输出高电平，VT3导通，定时的电容通过VT3、RP1和D4放电，电压慢慢下降，形成三角波的下降沿脉冲。 当定时电容上的电压降到（1/3）VCC时，IC1第3脚又输出高电平，重复上述过程。 这种三角波发生器结构简单，输出信号稳定，功耗低，比较适合在一般性的实验中采用。 三角波发生器元件表如表2-4所示。表2-4三角波发生器元件表序号元件型号参数标号数量10805贴片电阻2.2kR1124.7kR2,R3,R4,R543电

42、位器5kRP114瓷片电容0.01F（103）C1,C3250.1F（104）C216贴片二极管1N4148D1,D427稳压二极管3.6V（4A2）DW2,DW328三极管9013VT1,VT3299012VT2110贴片集成块NE555IC1111单排针3PS1112短路头2.54mm配S1113电源线双色杜邦线接电路中12V、GND处214电路板50*401 图2-13 三角波发生器原理图2.8 74HC573地址锁存器2.8.1 74HC573特点支持三态总线驱动输出，可置数全并行存取，缓冲控制输入，使能输入有改善抗扰度的滞后作用。输出能直接接到CMOS，NMOS和 TTL接口上。它的

43、操作电压范围：2.0V6.0V，低输入电流：1.0uA该器件由CMOS器件制成，抵抗高噪声特性好。2.8.2 74HC573原理说明 74HC573地址锁存器是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入的变化而变化。当使能端为低电平，输出数据被锁存在已有的数据上。输出控制对锁存器的内部工作没有影响，即老数据可以保存以待下一次用，即使输出被关闭，新数据也可输入。这种电路可以驱动大容量电容或小阻抗值的负载，可直接连接系统总线并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。74HC573引脚功能如表2-5所示。表2-5 74HC57

44、3引脚功能表 引脚号符号名称及功能1OE 3态输出使能输入（低电平）2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 D0 to D7 数据输入12,13,14,15,16,17,18,19 Q0 to Q7 3态锁存输出11LE 锁存使能输入 10 GND 接地(0V) 20 VCC 电源电压74HC573引脚图如图2-14所示。 图2-14 74HC573引脚图2.8.3 74HC573在本设计中的作用 在LED和数码管显示方面，要维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。尤其是在四段八位数码管等这些要选通的显示设备上。在人能够接受的刷新频率之内，大概每三十毫秒就要刷新一次。这就大大占用了S

45、TC单片机的处理时间，消耗了单片机的处理能力，锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当单片机把速度数据信息传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，单片机的处理时间和I/O引脚便可以释放。可以看出，单片机处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。节省了宝贵的单片机时间。这样单片机就可以分出更多的系统时间来处理其它任务。2.9 74HC138译码器2.9.1 概述 74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼

46、容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC138译码器可允许3位二进制加权输入（A0, A1和A2），使能端为1时，提供8位互斥的低电平输出（Y0至Y7）。74HC138有3个特别使能输入端：E1和E2（低电平有效）和E3（高电平有效）。除非E1和E定为低电平且E3定为高电平，否则74HC138的所有输出均为高电平。2.9.2 原理 74HC138作用原理于高性能的存贮译码或要求传输的数据transfer系统的延迟时间间隔不能长,在性能好的存储系统中,用这种译码器可以减少以译码的时间。快速赋能电路被用在高速存储器的时候,译码器的延迟时间间隔与存储器的赋能时间间隔通常短于存储器的通常的存取

47、时间。74HC138根据三位二进制输入码和赋能输入条件,8个输出口译出一个低电平。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24线译码器不需外接门;扩展成32 线译码器,只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。74HC138译码器引脚图如图2-15所示。 图2-15 74HC138译码器引脚图(a) 图2-15 74HC138译码器引脚图(b)2.9.3 真值表 74HC138真值表如表2-6所示。表2-6 74HC138真值表（a）表2-6 74HC138真值表（b）2.9.4 74HC138在本设计的应用 在本

48、设计中共用了6个数码管，74HC138在本设计中起“位选”的作用，单片机的P2.0到P2.2以BCD码输出位选信号，控制在某一个数码管显示数值,分别使用第三个到第八个数码管，段选信号分别从0x02到0x07。2.10 运算放大器2.10.1.概述 放大器常用来对各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号进行放大的应用中，而且能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。现今放大器种类繁多，一般仍以运算放大器应用较为广泛。2.10.2.原理 集成运算放大器实质上是一种高性能的直接耦合放大电路。放大器最初被开发的目的是运用于类比计算器之运算

49、电路，其内部为复杂的集成电路，亦即在单一电子组件中整合了许多晶体管与二极管，图2-17为一般放大器之内部等值电路。图2-16 放大器内部等值电路图2.10.3.特点 1.集成运放均采用直接耦合方式。 2.大量采用各种差分放大电路（输入级）和恒流源电路（输出级）。 3.常用有源元件（三极管或mos管）代替电阻。2.10.4.作用方式 741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12V至±18V不等，741运放的外型与接脚配置分别如

50、图2-18、2-19所示。741运放属于使用反馈电路进行运算的高放大型放大器，放大倍数都由外界组件所控制，搭配好外接电路或电阻，就能决定放大倍率的大小。如图2-19所示为运放在电路中所用的符号，能发现它有两个输入端，其中（）口为正相端口，而（）端称为反相端，运放的运作与这两输入端的差值有关，这个差值叫做差动输入。一般来说，放大器的理想的增益是，实际使用时可达到的是105至106倍，因此差动输入跟放大后的输出相比较几乎是零。 图2-17 放大器外形图 图2-18 放大器管脚图 图2-19 差动运放表示符号图2.10.5常用电路 使用运算放大器时，各类传感器输出电压变化非常大，经过放大后电压值不易

51、正好处于放大器输出电压范围之内，并且运放输入电源电压受到其承受范围的限制，所以要在电路上修正。另外放大器放大倍率亦不一定正好为所需倍率，所以要外接不同的电阻来解决问题。1.缓冲电路 将输出电压的一部份引回输入端之动作称为反馈，其中把输出电压引回反相端者称为负反馈，负反馈会使得整个电路的放大倍数下降，但是可以因此得到正确的电路放大倍数，且可以在输入电阻非常大的时候，使输出的电阻变小，并且让放大频率频宽增大。图2-20为放大倍数为1倍的缓冲电路，当a点电压为V1时，Vo=V1。 图2-20 缓冲电路图2. 非反相放大电路 使用反馈方式把输出电压接回反相输出端口形成负反馈结构的电路，其输出信号与输入

52、同相，可得到(1R1/R2)倍的输出，其电路如图2-21所示。图中a点电位为V1，流过反馈电阻R1的电流，可得 。 图2-21 非反相放大电路图3.反相放大电路 反相放大电路如图2-22，同样是使用负反馈电路方式动作，只是此时信号由反相端输入，故会得到与输入端反相之输出，当输入电压V1增大时会使得输出电压Vo下降。此电路可以得到(R1/R2)倍的输出，当a点电位为0V时，其输出电流为V1/R2，则 图2-22 反相放大电路图4.差动放大电路 图2-23是能够将两个输入电压V1、V2的电压的差值放大的电路，利用将输出电压接回反相端的负反馈电路，可计算出R1/R2倍的放大倍数。由于此b点电位是由V

53、2所决定的，所以a点与b点就会有相同的输入电压，则经过反馈电阻R1上的电流为经过电阻R1产生的压降为由于输出电压Vo是VR1与Vb相加之和，所以得输出电压为 图2-23 差动放大电路5. I/V变换电路 由I/V电路可得依据输入电流的输出电压，电路如图2-24，其输出电压Vo= -IR。 图2-24 I/V变换电路2.10.7 放大器在本设计中的应用在本设计中，由于三角波的幅值必须要高于正弦波的幅值，两种波才有可能“合成”PWM波，因此必须要考虑运算放大器的放大倍数，经过搭建实物电路，在DAC0832的输出口利用示波器测量得正弦波的电压幅值为6.2V，将示波器接在三角波发生器的输出端，测得它的

54、电压为8.6V。因此可以推断出最终经过运算放大器放大输出的电压值只能小于8.6V，因此在附录硬件原理图中，和分别取4与5。放大倍数为1.2倍，经过放大后输出的电压为7.4V，符合技术要求。 图2-25 运放电路图2.11 稳压电源电路2.11.1 原理 本稳压电路采用78系列集成稳压器，220V的交流电经过变压器降压，再经过整流桥整流，把交流电初步整成直流电，再经过电容滤波，变为比较规则的直流电，经过78系列芯片稳压，再经过电容滤波，输出5V和12V直流电。2.11.2 LM7812稳压芯片1.介绍 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 xx 系列和负电压输出的lm79xx

55、系列。该系列集成稳压IC型号中的lmxx后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7805表示输出电压为正5V，lm7909表示输出电压为负9V。该芯片最大输出电流1.5A。（1） 内部结构 LM7812内部结构由三极管连接而成，如图2-27所示。图2-26 7812稳压电路图 图2-27 LM7812IC内部结构图（2） 引脚序号及其功能 引脚1为最高电位，3脚为最低电位，2脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，2脚均为输出端。对于lm78xx正压系列，输入是最高电位，是1脚，3脚是地端，为最低电位，如附图所示。对于lm79xx负压系列，输入为最低电位，是3脚，而地端为最高电位，

56、即1脚，如图2-28所示。 图2-28 7812管脚图2.11.3 LM7805稳压芯片7805稳压电路图如图229所示。图229 7805稳压电路图2.11.4 稳压芯片在设计中的应用 根据查阅相关手册的结果,CC4051的电源工作范围是3V到22V。DAC0832芯片的Vcc端和ILE端也是接12V。运放芯片的工作电压也有一个端子接的是12V。三角波发生器的工作电压是12V。所以，使用该稳压电路来给这些元件供电。74LS04和74LS00芯片的工作电源是5V。2.12 LCR 0202线性光耦2.12.1介绍 线性光耦是一种根据输入电流的变化来控制电阻变化的光电元件，它是利用Cds和LED半导体，经过严格的选择、测试制成类比线性光电耦合器。外形如图2-30所示。它由纯电阻制作。输出量没有极性。类似线性电阻，