【文章內(nèi)容簡介】 ． 25秒計數(shù)器測得的脈沖數(shù) (頻率 )為 f， 車輪旋轉圈數(shù)為 N： N=f／ n 在 0． 2 5秒鐘內(nèi)汽車行駛的距離為 L： L=2 π RN (3． 2) 在 1秒鐘內(nèi)汽車行駛的距離為 L1： L1= 4L 在 1小時內(nèi)汽車行駛的距離 (速度 )為 V： V=3600 L1 由于汽車的車輪直徑不同，由上面的公式計算出的速度可能與車行的實際速度相差很多，為此，我們設計一個速度校正系數(shù) M，使測得的 速度值盡量與實際速度值接近。由此得出校正后的速度公式 Vj為： Vj=M 3600L1 最終的速度計算公式 Vl為： Vl=M 3600 4 2π Rf／ (3R／ r) (3． 3) 速度的測量方法 速度的測量方法有光電法、磁電法等。 光電法測速優(yōu)點是電路實現(xiàn)簡單、易用；但是，其抗外界光線干擾能力差，而且易受外界灰塵污染，使得測量的準確性大幅度降低。磁電法測速不但不怕污染，而且器件的壽命長，對外界環(huán)境要求低，電路實現(xiàn)簡單，體積小，易于將磁電式傳感器與外圍器件封裝在一起，使得速度傳感器的體積大為減小。由于磁電河北 聯(lián)合大學電氣工程學院 10 式傳感器以上的優(yōu)點，我們選用霍爾集成傳感器 (磁電式傳感器的一種 )構成速度傳感器。 1． 霍爾集成傳感器 霍爾集成傳感器是利用 硅集成電路工藝將霍爾元件與測量電路集成在一起，便成了霍爾集成傳感器，它實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器。線性型霍爾傳感器輸出的是模擬量，而開關型霍爾傳感器輸出的是數(shù)字量。開關型霍爾傳感器又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成開關型霍爾集成傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。其電路原理線路圖如圖 。圖中 H為霍爾元件， V V2及相應電阻構成差分放大器，將霍爾電壓放大幾十倍，并消除溫度 漂移影響，增強抗干擾能力。 v v4構成施密特觸發(fā)器 (射 極耦合雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 )，將差分放大輸出整形為矩形脈沖，并利用整形中的回差進，一步提高抗干擾能力。 V5將整形后的脈沖倒相放大后加至射極跟隨器 V6， V6將輸出級和放大管 v5隔離，以免帶負載時影響霍爾開關集成電路性能， V V7構成雙管集電極輸出，可同時輸出兩個功能相同、電平一致的信號，增加了使用上的方便。由于霍爾開關為集電極開路輸出，因此正常工作時必須在引腳“ 3”與“ 4”之間或“ 2”與“ 4”之間接上負載電阻，兩個集電極輸出端也可以并聯(lián)使用，此時輸出電流能 力增加一倍?；魻栭_關正常工作時，常態(tài)應處“截止狀態(tài)”，而不宜處于“導通狀態(tài)”，這樣可以延長使用壽命。 為防止電源線干擾，引腳“ 1”與“ 4”之間可加接一個 uF～ uF的吸收電容。 圖 霍爾開關集成電路原理線路 如圖 。 本系統(tǒng)采用的是開關型霍爾傳感器，其內(nèi)部框圖如圖 所示。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 11 圖 在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通 閾 值 Bop時，霍爾電路輸出管導通，輸出低電平。之后， B再增加，仍保持導通態(tài)。若外加磁場的 B值降低到 BRP。時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱 Bop為工作點， BRP為釋放點， BopBRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關電路的抗干擾能力增強。它的輸出特性如圖 示。 圖 為 開關型霍爾傳感器的輸出特性 2． 霍爾傳感器的選擇 由于霍爾集成式傳感器具有可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，因此，在速度傳感器中我們選用開關型霍爾集成式傳感器?；魻杺鞲衅魇潜鞠到y(tǒng)的重要組成部分，在選擇霍爾傳感器時，一定要選擇工作溫度范圍寬，壽命長，穩(wěn)河北 聯(lián)合大學電氣工程學院 12 定性好的霍爾集成式傳感器。在本系統(tǒng)中我們選用了 UGS一 3040T霍爾集成式傳感器。 UGS一 3040T的特性 ? 電源電壓 4． 5V～ 24V： ? 工作溫度范圍 4 0℃～ 125 ℃： ? 閾值 (工作點 )磁通典型值 150 G； ? 釋放點磁通典型值 100G： ? 最大輸出電流 25mA。 環(huán)境溫度對工作 點和釋放點的影響的特性曲線如圖 所示。 圖 環(huán)境溫度對工作點和釋放點的影響 UGS 一 3040T 的輸出特性曲線如圖 所示。 圖 UGS 一 3040T 的輸出特性曲線 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 13 3. 速度傳感器 1． 速度傳感器的原理 速度傳感器是由霍爾集成式傳感器、一個磁屏蔽葉輪、一個永久磁鐵或磁極組成。當磁屏蔽葉輪的一個葉片轉到磁鐵和霍爾集成式傳感器之間的空隙時，磁場就中斷了；當磁屏蔽葉輪的一個窗口轉到磁鐵和霍爾集成式傳感器之間的空隙時，允許磁場通過，并不受阻礙的傳 到霍爾集成式傳感器上。磁屏蔽葉輪的窗口開和閉遮斷磁場，導致霍爾集成式傳感像開關一樣接通和關斷。其原理圖如圖 所示，其內(nèi)部結構圖如圖 。 圖 圖 圖 2． 電路實現(xiàn) 速度傳感器的電路原理圖如圖 48所示，由于 UGS一 3040T為集電極開路輸出，因此集電極需加上拉電阻 R1。為增強霍爾集成式傳感器輸出級的帶負載能力及保護傳感器，電路中增加小功率管 Q1。整個電路采用車載 12V電源供電，為配合速度信號處理電路，采用穩(wěn)壓管 D1將信號限制在 0～ 5V之問，便于單片機連接。 圖 速度傳感器的電路原理圖 河北 聯(lián)合大學電氣工程學院 14 速度信號接口電路 為增強速度信號的抗干擾性，進一步提高測量速度信號的準確性，系統(tǒng)采用了如圖 49所示的為速度信號接口電路，整個電路包括射極跟隨 器、遲滯比較、光電隔離三部分。由速度傳感器采集到的速度信號經(jīng)過穩(wěn)壓管 z1使信號幅度限制在 0～ 5V之問，然后送入射隨器、遲滯比較器，通過遲滯比較器的回差電壓，消除了外界信號的干擾。由圖可知，速度信號經(jīng)處理后，又經(jīng)光耦進行光電隔離后送入單片機的計數(shù)器輸入端口 P25(TOCK口 )，由單片機定時讀取計數(shù)器值，通過計算得到汽車行駛速度。 圖 為 速度信號的接口電路 圖 開關信號主要包括剎車、喇叭、左右燈、大燈、氣壓、 1號和 2號門、報站器等信號。開關信號 僅有兩個狀態(tài)，為 1或 0。為了獲取穩(wěn)定的開關量，減少誤差，提高系統(tǒng)的抗干擾性，采用具有置位和清位的觸發(fā)器，這樣可以消除因外界干擾而引起觸發(fā)器的誤動作。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 15 并串轉換芯片 CD4021 CD4021引腳配置 和 引腳說明如圖 ，表 CD402l引腳功能表。 表 CD402l引腳功能表 引腳 名稱 引腳功能 1 1 15 D D D D D0、 D D D6 并行輸入端 12 Q Q Q6 串行輸出端 9 P／ S 并／串 選擇 10 CLOCK 時鐘 11 Ds/SIN 串行數(shù)據(jù)輸入 8 Vss 電源地 1 6 VDD 電源 圖 河北 聯(lián)合大學電氣工程學院 16 實現(xiàn)電路 開關信號的實現(xiàn)電路原理圖如圖 。由圖可知，所有的開 關信號，經(jīng)過電阻排 RR RR3和電阻 R10 R10 R10 R10 R10 R106分壓、限流之后送入處理電路。圖中 K K K KIO為開關門信號輸入，系統(tǒng)采用具有清零、置位的 D觸發(fā)器，當 1號門 K7或 2號門 K9打開時， D觸發(fā)器 U2A或 U2B的 s端為高電平，使觸發(fā)器輸出為高電平；當 1號門 K8或 2號門 KIO關閉時， D觸發(fā)器 U2A或 U2B的 R端為高電平，使觸發(fā)器輸出為低電平。系統(tǒng)采用兩路門控信號并接到一起，無論哪一個門打開，整體輸出都為高電平。采用 D觸發(fā)器可以有效地消除外界尖峰脈沖信號的干擾。 BR— Y為報站信號，經(jīng)三極管 N Pl后，送入并串轉換芯片 CD4021。 其余的開關信號直接送入 CD4021。經(jīng)過 CD4021將并行信號轉換為串行信號再經(jīng)過光電隔離后送入單片機的 RB1口。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 17 圖 開關信號接口電路 系統(tǒng)采用雙路電源供電，為提高電源的效率、增加電源的可靠性和減小電源的體積，我們采用 DC— DC集成芯片 MC34063構成的降壓式直流變換器 (開關電源的一種 )為整個系統(tǒng)供電。 河北 聯(lián)合大學電氣工程學院 18 直流變換器的電路結構及工作原理 1． 直流變換器的電路結構 變換器通常是指一種直 流電壓變換設備，其中可以把直流電壓轉換成各種不同直流電壓的設備稱為直流一直流變換器 (通常簡稱為直流變換器 )，能把直流電壓轉換成交流電壓的設備則稱為直流 交流變換器，又稱為逆變器。 DC— DC變換器的種類繁多，分類方式也各不相同。按電路結構形式分，有降壓式直流變換器、反相式直流變換器、升降式直流變換器、 C’ uk直流變換器、單端直流變換器和雙端直流變換器。而單端直流變換器又可分為正激式和反激式；雙端直流變換器又可分為推挽式、半橋式和全橋式。按功率管的激勵方式分，有自激式和他激式直流變換器。按所采用的功率器件分， 有晶體管直流變換器、功率場效應管直流變換器及晶閘管直流變換器等。在負載對直流電源的穩(wěn)定度要求不高，而且負載電流變化不大的場合，直流變換器的輸出可以直接向負載供電，而不必再采取穩(wěn)壓措施。當負載對直流電源的穩(wěn)定度要求較高時，為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓，通常需要在直流變換器后面或前面再加入另外的穩(wěn)壓電路，如圖 (a)、 (b所示。這兩種電路總的功率損耗包含了變換器和穩(wěn)壓器兩級的損耗，降低了效率。為了提高效率可采用如圖 (c)所示的既能完成直流電壓變換，又兼有穩(wěn)壓功能的控制式直流變換器，事實上它就是通常所說的 開關穩(wěn)壓電源的一種形式控制式直流變換器按其控制方式的不同，可分為脈沖寬度調制 (PWM)型；脈沖頻率調制 (PFM)型、混合調制型 (即脈寬和脈頻同時改變 )等三種類型，其中尤以脈寬調制型最為盛行。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 19 圖 直流 變換器穩(wěn)壓方式框圖 2． 降壓式直流變換器的工作原理 降壓式直流變換器是由起開關作用的功率三極管 BG、儲能電感 L、續(xù)流二極管 D、濾波電容 C。、負載電阻 R。和其控制電路組成，如圖 。 圖 降壓式直流變換器電路原理圖 圖 降壓式直流變換器電路原理圖設其輸入端電源的直流電壓為 U，而輸出端負載的直流電壓為 u。，三極管 BG的基射極之間加的是由控制電路送來的周期為 T的脈沖信號 u。電路的工作狀態(tài)由脈沖信號 u?？刂?，其有關的電壓和電流的波形如圖 (a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)所示。在工作過程中，當加于 BG基河北 聯(lián)合大學電氣工程學院 20 極的控制脈沖為正向電壓時， BG飽和導通，其集電極電流通過儲能電感 L向負載 R。供電，同時向 c。充電。在 C。充電的過程中， L內(nèi)的電流逐漸增加，磁場能量也逐漸增加， L兩端產(chǎn)生出一個左正右負的自感電勢。而續(xù)流二極管 D因反向偏置而截止。經(jīng)過 T。時間以后，加于 BG基極的控制脈沖為與反向偏壓，使 BG截止， L中的電流減小， L兩端產(chǎn)生出一個左負右正的自感電勢，使 D導通，儲能電感 L便把原先儲存的磁能轉換成電能通過續(xù)流二極管 D供給負載 RL， 當負載電壓低于 Co兩端的電 壓時， Co便向負載放電。經(jīng)過時間 T。后，控制脈沖又使 BG導通，上述過程重復發(fā)生。 3．降壓式直流變換器輸入與輸出電壓之間的關系 當控制信號使 BG導通時，電感 L中的電流從最小值 ILV線性增加到最大值 ILP； 圖 降壓式直流變換電路的有關波形 當控制信號使 B(；截止時，電感 L中的電流又從最大值 I。線性下降到最小值I。假設 BG具有理想的開關特性，其正向飽和壓降可以忽略，由圖 4． 14及相關波形可知： (1)BG導通期間，電感 L兩端的電壓為： 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 21 UL=LDtDil =UiUo 由此可以得出： iL= tdtLUoUiLUoUi ?? ?? +ILV 式中，起始值 ILV是 BG導通前流過 L的電流。當 t=T∞時， BG導通狀態(tài)截止， L中的的電流達到最大值 ILP即 ILP= LUoUi? Ton + ILV (2)BG截止期間，電感 L中的電流通過續(xù)流二極管 D向負載提供電流，假如忽略 D的正向壓降，則可得出電感 L兩端的電壓： uL=－ L dtdil =Uo 出由此可以得出 iL=－ dtLUo?= － tLUo +ILP