【文章內(nèi)容簡介】 .................................... 37 本章小結(jié) ............................................................................................................... 37 第六章 總結(jié)與展望 ....................................................................................................... 38 總結(jié) ....................................................................................................................... 38 展望 ....................................................................................................................... 38 致謝 ................................................................................................................................. 39 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 40 第一章 緒論 1 第一章 緒論 研究背景世界上第一輛汽車是純電動汽車，現(xiàn)在一般認(rèn)同的看法是：1873 年英國人Robert Davidson 制造的一輛電動三輪車，它比以內(nèi)燃機(jī)為動力的汽車發(fā)明早 13 年。汽車誕生一百多年來，汽車工業(yè)取得巨大的發(fā)展，特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)后，發(fā)展速度更快。汽車的發(fā)展是從純電動汽車開始的，進(jìn)入 20 世紀(jì)由于大量發(fā)現(xiàn)油田，石油開采提煉和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)步，電動汽車則由于電池技術(shù)進(jìn)步緩慢，在性能、價格等方面都難以與燃油汽車競爭而逐步被燃油汽車所取代 [1]。傳統(tǒng)汽車對石油資源的依賴性隨著汽車的發(fā)展變得越來越強(qiáng)，然而石油資源卻日益枯竭，傳統(tǒng)汽車對石油資源的依賴性和石油儲量的不斷銳減已形成鮮明的反差。經(jīng)歷 70 年代三次石油危機(jī)喚起了人類對有限石油資源的關(guān)注，加之傳統(tǒng)汽車排放物本身或其經(jīng)過轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的物質(zhì)對環(huán)境引起了很大的破壞，比如：光化學(xué)煙霧、酸雨以及厄爾尼諾現(xiàn)象等，嚴(yán)重破壞了人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)。另外，汽車尾氣排放對人類自身也造成了極大危害，例如：鉛進(jìn)入人體與血液生成“血鉛” ，破壞造血系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)；CO 進(jìn)入人體與人體血紅蛋白結(jié)合破壞人體內(nèi)氧的輸送及交換；NOx 對人的呼吸系統(tǒng)有較大的刺激作用等。能源問題、環(huán)境問題已成為制約汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。為了獲得汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能和新能源技術(shù)已經(jīng)被擺在最突出的位置上，于是全世界紛紛提出了遠(yuǎn)景目標(biāo)，并積極研究清潔、節(jié)能的汽車。于是，純電動車、混合動力汽車、燃料電池汽車及太陽能電動車的研究層出不窮 [2]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本設(shè)計是在 LabVIEW 平臺上開發(fā)的電動汽車在線監(jiān)測系統(tǒng)：霍爾效應(yīng)式速度、電流、電壓傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速、蓄電池電流和電壓轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過調(diào)理電路對波形進(jìn)行整形，然后將脈沖信號輸入到采集卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，最后把數(shù)字信號輸入到計算機(jī)上，通過 VI 將車速、電流、電壓顯示出來，實現(xiàn)對車速、電流、電壓的實時監(jiān)控。下面就 LabVIEW 開發(fā)平臺和電動汽車在線監(jiān)測系統(tǒng)兩方面的國內(nèi)外研究狀況作一簡要介紹 [3][4]。LabVIEW 開發(fā)平臺：LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(實驗室虛擬儀器集成環(huán)境)的簡稱，是有美國國家儀器公司（National Instruments,NI）創(chuàng)立的一個功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具 [5]第一章 緒論 2 [6] 。目前，國內(nèi)外有許多部門和公司都在積極地開展虛擬儀器方面的研究和應(yīng)用工作。比如，國內(nèi)外許多大學(xué)都在嘗試將虛擬儀器應(yīng)用到實驗教學(xué)和計算機(jī)輔助教學(xué)中。虛擬儀器已在超大規(guī)模集成電路測試、模擬電路和數(shù)字電路測試、現(xiàn)代家用電器測試、電子元件、電力電子器件測試以及軍事、航天、生物醫(yī)學(xué)、工廠測試、電工技術(shù)領(lǐng)域、電子測量、電力工程、物礦勘探、故障診斷等的可移動式現(xiàn)場測試工作中得到應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷拓寬。電動汽車在線監(jiān)測系統(tǒng)；目前，國內(nèi)外很多公司與機(jī)構(gòu)都投入巨資進(jìn)行電動汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制開發(fā)與生產(chǎn)銷售。北京理工大學(xué)研制的車輛 AMT 的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)在采集大量數(shù)據(jù)的同時，還具備數(shù)據(jù)分類、存儲和分析功能。福特、博世等公司開發(fā)的車載式汽車性能數(shù)據(jù)采集裝置，這些裝置采集精度高、采集參數(shù)全、體積小、安裝拆卸方便，具備動態(tài)分析汽車各種性能的能力。目前，國內(nèi)外電動汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在的問題是數(shù)據(jù)采集的可靠性和抗干擾性等問題。由于電動汽車數(shù)據(jù)采集要求數(shù)據(jù)采集硬件裝置穩(wěn)定性好，便攜性好，同時由于其工作環(huán)境(運(yùn)行中的車輛)的復(fù)雜而給數(shù)據(jù)采集工作提出了較高的要求，系統(tǒng)的抗震性，抗干擾性以及對數(shù)據(jù)的存儲能力、系統(tǒng)綜合性能等都是需要考慮的重要因素 [7][10]。 實驗設(shè)備簡介在完成本設(shè)計時，實驗室擁有一輛太陽能電動汽車、一個霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、一個阿爾泰公司生產(chǎn)的 USB 采集卡、施密特觸發(fā)器 HEF40106Bp 集成芯片若干等專門的硬件設(shè)備；還有一般實驗常用的示波器、電烙鐵、焊錫、萬用表、電容、電阻、萬用板等必需設(shè)備；以及 LabVIEW2022 版。此外，還專門購買了L780L781L791滌綸電容、二極管、9V 干電池若干個。 主要研究內(nèi)容本文主要是給現(xiàn)有的太陽能電動汽車開發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)。研究的主要內(nèi)容有以下五點(diǎn)：（1） 研究霍爾轉(zhuǎn)速、電流、電壓傳感器的工作原理，設(shè)計霍爾傳感器信號采樣電路。（2） 研究調(diào)理電路的設(shè)計方法，為霍爾傳感器的信號輸出設(shè)計調(diào)理電路。重點(diǎn)研究施密特觸發(fā)器 HEF40106Bp 芯片的工作原理，設(shè)計該芯片的濾波電路，使得霍爾傳感器輸出的矩形脈沖信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形成標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖波。第一章 緒論 3 （3） 研究 USB2080 采集卡的工作原理、驅(qū)動程序以及數(shù)據(jù)輸出方式。（4） 熟悉 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，掌握使用 LabVIEW 編程的技巧，了解采用各種方法實現(xiàn)程序功能的優(yōu)缺點(diǎn)；編寫電動汽車速度、電流、電壓監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)運(yùn)行的速度、計算結(jié)果的精確性進(jìn)行分析，確定適合該電動車的監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。（5） 安裝霍爾轉(zhuǎn)速、電流、電壓傳感器，連接調(diào)理電路、采集卡，在行駛工況下測量車速、電流電壓，并對監(jiān)測系統(tǒng)的精確性進(jìn)行核算，調(diào)整 VI 程序?qū)崿F(xiàn)方式，直到達(dá)到精度為止。 設(shè)計目標(biāo) 本設(shè)計利用已有的軟硬件設(shè)備資源，開發(fā)電動汽車在線監(jiān)測系統(tǒng)。無論汽車在何種工況下行駛，系統(tǒng)都能快速的采集車速、電流、電壓信號，并經(jīng)過相關(guān)的程序，將車速、汽車行駛里程、電流、電壓實時準(zhǔn)確的顯示在人機(jī)界面。人機(jī)界（HumanComputer Interface,簡寫 HCI，又稱用戶界面或使用者界面）：是人與計算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分 [11]。通過該界面，可以實現(xiàn)對車速的實時精確的監(jiān)測。 本文章節(jié)安排 本文主要是對電動汽車在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計。在介紹分析霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、施密特觸發(fā)器、三端穩(wěn)壓器的工作原理和相關(guān)電路設(shè)計后，設(shè)計制作了與之相關(guān)的各種電路。然后介紹了 USB2080 采集卡的工作原理、驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)輸出方式。接著，深入學(xué)習(xí) LavVIEW 的設(shè)計方法，并設(shè)計出基于 LavVIEW 的車速監(jiān)測系統(tǒng)。最后，安裝霍爾傳感器，連接調(diào)理電路、采集卡，在行駛工況下測量車速、采集實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文章節(jié)安排如下：第一章介紹課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、實驗設(shè)備、主要研究內(nèi)容以及設(shè)計所要達(dá)到的目標(biāo)。第二章介紹霍爾轉(zhuǎn)速、電流、電壓傳感器的工作原理以及采樣電路的設(shè)計。第三章介紹采用施密特觸發(fā)器設(shè)計霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)理電路,以及利用FilterLab 設(shè)計霍爾電流、電壓傳感器調(diào)理電路。第四章介紹 USB2080 采集卡的基本功能和驅(qū)動函數(shù)接口。第五章介紹 LabVIEW 的產(chǎn)生及發(fā)展、特點(diǎn)、開發(fā)環(huán)境和優(yōu)勢；接著介紹了應(yīng)用LabVIEW 開發(fā)測速程序的方法，測速程序的實現(xiàn)方法和采用定理，并用實驗的方法證明了程序的可行性；最后介紹應(yīng)用 LabVIEW 開發(fā)測電流、電壓程序的方法。第一章 緒論 4 第六章對全文的研究內(nèi)容進(jìn)行了簡要的總結(jié)，并提出了改進(jìn)方向。第二章 傳感器及其采樣電路 5 第二章 傳感器及其采樣電路 霍爾傳感器 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（，1855—1938）于 1879 年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差 [12]。圖 21 是霍爾效應(yīng)的原理圖。 霍爾傳感器及分類由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。 (一）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。（二）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。 霍爾傳感器的特性（1）線性型霍爾傳感器的特性 圖 22 霍爾傳感器的線性特性輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖 22 所示，可見，在 B1～B2 的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。（2）開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖 23 所示，其中 Bop 為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP 為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動作點(diǎn) Bop 時，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動作點(diǎn) Bop 以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn) Brp 時，傳感器圖 21 霍爾效應(yīng)第二章 傳感器及其采樣電路 6 才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健op 與 Brp 之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠 [13]。 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器本設(shè)計采用的是開關(guān)型霍爾傳感器。開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。 開關(guān)型霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器 A、硅霍爾片 B、差分放大器 C、施密特觸發(fā)器 D和 OC 門輸出 E 五部分組成,如圖 24 1 輸入電壓 VCC,經(jīng)穩(wěn)壓器 A 穩(wěn)壓后加在硅霍爾片 B 的兩端,以提供片的感應(yīng)面方向施加磁場,產(chǎn)生霍爾電勢差 VH,該 VH 信號經(jīng)差分放大器C 放大后送至施密特觸發(fā)器 D 整形.當(dāng)磁場達(dá)到“工作點(diǎn)”(即 Bop)時,觸發(fā)器 D 輸出高電壓(相對于地電位),使三極管 E 導(dǎo)通,輸出端 Vo 輸出低電位,此狀態(tài)稱為“開”.當(dāng)施加的磁場達(dá)到“釋放點(diǎn)”(即 Brp)時,觸發(fā)器 D 輸出低電壓,使三極管 E 截止,輸出端 Vo 輸出高電位,此狀態(tài)稱為“關(guān)”.這樣 2 次高低電位變換,使霍爾傳感器完成了 1 3 ,輸出電位 Vo 保持高電位或低電位不變,因而輸出穩(wěn)定可靠 [14]。 開關(guān)型霍爾傳感器在測速上的應(yīng)用開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報警器、自動控制電路等。如圖 25 所示， ，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計數(shù)器） ，若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律圖 23 開關(guān)型霍爾傳感器的特性圖 24 開關(guān)型霍爾傳感器的構(gòu)成圖 25 開關(guān)型霍爾傳感器的測速原理第二章 傳感器及其采樣電路 7 地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運(yùn)動速度 [13]。 采樣電路設(shè)計本設(shè)計采用的是常閉式開關(guān)型霍爾傳感器。該傳感器在沒有轉(zhuǎn)速即沒有外磁場時信號端一地導(dǎo)通；當(dāng)有轉(zhuǎn)速信號即旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生外磁場時，信號輸出端與地斷開；通過上拉電阻 R 使信號端在開關(guān)閉合時輸出低電平 0，開關(guān)斷開時輸出高電平+5V(傳感器的電源電源為+5V)。如圖 26 所示，為輸出信號采樣電路圖。在該電路中：。C5,????電 源 上 拉 電 阻所以，當(dāng)磁鋼隨著圓盤旋轉(zhuǎn)時，開關(guān)型霍爾傳感器中的三極管 E 就會不斷“截止——導(dǎo)通——截止——導(dǎo)通” ，而信號輸出端則輸出“+5V——0V——+5V——0V”的脈沖信號。 實驗結(jié)果圖 27 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號脈沖圖 27 為采用圖 26 電路圖測量的霍爾傳感器的脈沖波形圖。從圖中可以開出