光控电机正反转电路的设计

1光控电机正反转电路的设计设计内容与要求1.当传感器检测到光信号时直流电机正转30秒停止转动，当此光信号撤离后电机正转30秒停止转动。2．完成原理图和PCB图设计及电路元件参数计算。3．对设计的电路进行安装调试实现控制功能。4．要求电路设计规范，费用低，可靠性高。5．编写好设计文档。1.方案论证与对比1.1方案一光敏电阻没有光照时，光敏电阻为高阻态，A端为高电位，BC端为低电位,D端为高电位，B端电容通过电阻R3充电形成单脉冲，这时1号单稳态触发器触发，输出为高电平,电机正转30秒。当光敏电阻有光照时，光敏电阻为低阻态，A端为低电位，BC端为高电位，D端为低电位，D端电容通过电阻R6充电形成单脉冲，这时2号单稳态触发器触发，电机反转30秒。暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。当BD端电压太大，二极管导通，从而保护了单稳态触发器。R4=R5，C1=C3，R4与C1的乘积决定电机正转的时间，R5与C3的乘积决定电机反转的时间，这样可以很好的达到预定效果。有光时光敏电阻阻值减小.无光时光敏电阻阻值变大1号单稳态触发器出发2号单稳态触发器出发通过电容充放电控制电机转动时间电机正转30秒电机反转30秒2图1系统结构原理框图1.2方案二利用光电三极管将外界环境的明暗变化转换为逻辑量，将光信号转换为电信号。光照到光电三极管，三极管导通，输出的电压为低电平，当光没有照到光电三极管，三极管不导通，输出的电压为高电平。这个时候通过555定时器组成施密特触发器对波形进行整形。555定时器是一种集模拟，数字于一体的中规模的集成电路，可用于信号的产生和信号的产生和变换。施密特触发器及微分电路得到脉冲信号，触发单稳态触发器，最后，利用功率驱动环节驱动直流电机的转动。图2系统结构原理框图1.3方案对比与选择方案一：优点：①元器件均为常用元器件。②PCB布线较为简单。缺点：①元器件较多。方案二：优点：①结构简单，容易制作。②元器件较少。缺点：①元器件中的芯片较贵。②元器件较难获得。经本组成员讨论后决定选用方案一实现设计要求。2．单元电路介绍2.1斯密特触发器施密特触发器的电压传输特性及工作特点：施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器电路有两个阈值电压。正向阈值电压（VT+）和负向阈值电压（VT-）。正向阈值电压与负向阈值电压之差，实现电机反转30秒通过电容充放电控制电机转动时间触发单稳态触发器通过光照射光敏三极管产生输入脉冲3称为回差电压（VT）。由74L14整形电路构成的斯密特触发器，当输入电位逐渐升高。电位大于VT+时，则输入为高电平，输出为低电平，当输入电位逐渐降低时，输入电位小于VT+时，则输入为低电平，输出为高电平。斯密特触发器将正弦波变换成同频率的矩形波，改变斯密特触发器的VT+和VT-就可以调节Vo的脉宽，将非矩形波转换为矩形波，当传输线上电容较大时，矩形波的上升沿和下降沿都会明显的被延缓，并且还会产生阻尼震荡，采用斯密特触发器对波形进行整形，只要回差电压选择恰当，就可以达到理想的整形效果。（a）（b）图3CMOS反相器组成的斯密特触发器及波形变换2.2555定时器组成的单稳态触发器（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当电路无触发信号时，Vf保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端Vo保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压VC为0V。（2）Vf下降沿触发当Vf下降沿到达时，555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，Vo由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCC→R→C→地，时间常数τ1=RC，电容电压VC由0V开始增大，在电容电压VC上升到阈值电压之前，电路将保持暂稳态不变11G1G2VIvOR2R1vO14（4）自动返回（暂稳态结束）时间当VC上升至阈值电压时，输出电压Vo由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压VC迅速降至0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管T放电，时间常数τ2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ2之值亦非常小。经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。图4555定时器单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，根据公式可求得tW=0.7RC由公式可知输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。2.3电机正反转电路电机正反转电路由Q1、Q2、Q3、Q5、Q7、Q8、R4、R5、R6、R7、D2、D3、D5、D6、M1组成。其中Q1、Q2、Q7、Q8为H桥电机驱动电路，如图5所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电5机，从而控制电机的转向。当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。因为在同一时刻定时器U1、U2只有一个输出高电平，假设U2的输出端3输出高电平，则Q5导通，Q5导通使得Q2、Q7基极产生电流，Q2、Q7导通。此时电流的路径由VCC至Q2至电机M至Q至地，电机正转。同理，当U1输出高电平时，电机反转。这部分电路采用H桥的结构使电机的工作电压更加稳定且使前后电路相互隔离。由于电机属于感性器件，因此加了四个续流二极管以保护电路。图5H桥电机驱动电路2.4保护电路稳压电路的工作原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变，表现出稳压特性，。因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用,6（a）（b）图6稳压二极管工作特性及电路组成结构斯密特触发器的输出电压大于VCC+0.7V时，则二极管正向导通，使斯密特触发器电的最高输出电压不能大于VCC+0.7V，从而保护了单稳态触发器。2.4光控电路光耦合器工作原理：用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。图7光耦原理图发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。3调试与检测3.1调试本课程设计方案的调试包括仿真调试和实物调试本组成员首先分模块调试，检测信号输入到由555定时芯片构成的施密特触发器电路中，则可以对信号进行整形产生脉冲信号。产生的信号作为触发器的触发信号对计数器进行触发。仿真如下：IRDZRu7图8施密特触发器仿真图9仿真结果再进行整体调试，这时发现电动机一直处于工作状态，而不是预定的工作30秒，发现单稳态触发器的输入一直处于低电平，我们在单稳态触发器的输入端接入一个电容，电容的一端通过连接一个电阻，再连接到Vcc。这时，单稳态触发器的输入从低电平跳变为高电平，使得单稳态触发器的输入形成一个脉冲，从而电动机达到预定的工作时间30秒。3.2检测制板焊接制成实物图，进行实物调试。看是否焊点没有接好，导线是否导通，8用万用表检测输入输出电压与电流电流，看其是否满足元件参数以及电压是否达到脉冲跳变的要求用万用表观查检测电路输出电压，发现电压在预定的时间并实现跳变,一步步检查，没有发现问题以后，通过接通电源，对光敏电阻进行灯光照射，产生输入脉冲，再对小电机进行计时，发现电机达到了预期的正反转，并且转动时间为30秒。4详细仪器清单名称数量555计时器2220uF电容2100k电阻20.01uF电容2施密特触发器1非门1光敏三极管10.8uF电容2二极管24.7电阻21k电阻1280电阻2电机195．总结与致谢本组成员，接到课题后，经过认真激烈的讨论。开始确定基本思路。然后查阅大量资料，确定主要元件，也就是各种芯片。然后设计出电路图。然后用protel画出电路图，进行仿真，通过调试最终实现各种功能，确定最终电路图，并制出PCB板，最后根据电路图，把各元件连接起来，得到光控电机正反转电路实物。通过大学两年的学习，此次课程设计对我们自动化专业有了更深入的了解，同时也让我们明确了自动化专业的发展方向。为期两个星期的课程设计不仅巩固了我们的基础知识，也培养了我们的动手实践的能力。我们每个同学都受益匪浅。第一，巩固和加深了数字电子技术和模拟电子技术的基本基础知识，提高了综合运用知识的能力。第二，提高了查阅资料的能力。第三，通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选取，安装调试等环节，初步掌握了简单的使用电路的分析方法和工程设计方法。第四，培养了严谨的工作作风和科学态度。第五，熟悉了论文的正确规范的写作格式以及论文的基本框架的写作思路。这些收获不仅对我们今后的学习还是工作，都有非常重要的作用。为我们更好的学习本专业打下了坚实的基础。106参考文献[1]康华光主编.电子技术基础模拟部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社.2006[2]康华光主编.电子技术基础数字部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社.2006[3]余孟尝主编.数字电子技术简明教程[M].北京:高等教育出版社.1999[4]江思敏等主编.Protel2004电路原理图及PCB设计[M].北京:机械工业出版社.2006[5]杨渝钦主编.控制电机[M].北京:机械工业出版社.199011附：电路原理图A-+B1MotorServoQ1PhotoNPN1KR2Res2TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U3NE555DTRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555DD1Diode1N4005D2Diode1N40054.7ΩR3Res24.7ΩR6Res2150kR4Res2180ufC1CapPol1180ufC3CapPol1150kR7Res20.01ufC2Cap0.01ufC4Cap12P1Header2VCC12U2ASN74LS14N300ΩR5Res2300ΩR1Res2VCC12U4ASN74LS14N10ufC6Cap10ufC5Cap