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用數字集成電路設計的里程表

   2012年02月29日 16:08  
  引言
  
  隨著數字技術的不斷發展,數字集成電路在各個領域的應用越來越廣泛。本文介紹一種用數字集成電路、霍爾集成電路設計的里程表。該里程表具有電路結構簡單、計量精度高、工作穩定可靠、改變設計量程方便、成本低等特點。我們曾將該里程表安裝于某電動車上測試,取得了滿意的效果。
  
  1、工作原理
  
  里程表的工作原理框圖如圖1所示。霍爾集成電路完成從非電量到電量的轉換,將車輪轉動信號轉換為電信號。此信號幅值較小,經過比較器使其變成幅值較大的脈沖信號。該脈沖信號由施密特觸發器整形后送給計數器計數。計數器輸出的8421BCD碼經譯碼器譯碼后驅動LED顯示器顯示出計量結果。根據該框圖設計的里程表電路如圖1所示。
  
  2、主要單元電路的設計
  
  2.1霍爾集成電路傳感器
  
  傳感器是里程表的重要部件,它的性能對整機電路的工作起著極其重要的作用。這里我們選用CS3120開關型霍爾集成電路。這種集成電路具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、輸出電阻小、功耗低、靈敏度高、溫度特性好等特點。電路內部由霍爾元件、電壓調整器、差分放大器、輸出級等組成,采用塑料封裝成三端器件,其功能圖如圖2所示。
  
  穩壓部分使電路能在較寬的電源電壓范圍內工作,開路輸出使電路很容易地與眾多的邏輯部件連接。圖3是這種開關型霍爾集成電路的轉移特性曲線。由圖3看出,當外加磁場強度B上升到導通點BOP時,霍爾開關輸出由高電平降為低電平;當B由大變小降至BRP時,輸出再由低電平跳變為高電平。
  
  實際應用時將霍爾傳感器做成如圖4所示的結構。鐵桿與磁鋼粘牢后固定于車輪的適當位置。霍爾集成電路固定在車架上,與磁鋼的垂直距離為2mm~3mm。這樣,車輪每旋轉一周,磁鋼產生的磁場掠過霍爾集成電路一次使其輸出一個負脈沖。計數器對該脈沖進行計數,則:里程=車輪周長×脈沖數。
  
  霍爾集成電路的工作電壓以5~6V為宜,過高的電源電壓會引起電路因溫升而不穩。圖5整機電路中R54為降壓電阻,將12V電源電壓降至6V給霍爾集成電路供電。C2是濾波電容。R1為霍爾集成電路的負載電阻,沒有這個電阻,輸出電壓的變化甚小。
  
  應注意的是霍爾集成電路有字標平面為敏感面,要使磁力線垂直穿過敏感面。另外,如發現不能觸發,應調換磁鋼極性使電路工作正常。
  
  霍爾集成電路CS3120輸出的脈沖幅度較小,不能直接推動計數器工作,故在電路中將該信號送給由IC1和Rw組成的比較器。每當負脈沖到來時,由于IC1反相端的電位低于同相端的電位,故比較器輸出一個幅值較大的正脈沖。
  
  2.2施密特觸發器
  
  運算放大器IC2以及R2~R6構成反相輸出的施密特觸發器。它對比較器輸出的脈沖信號進行整形。IC2工作在開關狀態,具有十分短的前后沿時間。閾電平主要由R3和R4決定。R5上的電壓降提供小量的正反饋以便產生所需要的滯后,并防止電路振蕩。
  
  2.3計數器
  
  十二級二進制計數器CD4040以及四輸入端二與非門CD4012構成任意進制計數器。因為車輪的周長不是10的整數倍,所以用十進制計數器計數,zui后顯示的只能是車輪轉動的圈數,而不是具體的公里數,設計任意進制計數器就是為了解決這一問題。
  
  筆者實測某車輪的周長為1.834米,則在100米內,車輪轉動54圈。據此,將任意進制計數器設計成54進制。由圖5知,當CD4040輸人54個脈沖后,其Q12~Q1十二個輸出中,Q6、Q5、Q3,Q2為高電平,該高電平信號經與非門G1后輸出低電平,再經與非門G2反相變為高電平加至CD4040的Cr復位端使其復位,從而實現54進制計數。同時,第54個脈沖過后,Q6下跳信號加至十進制計數器CD4518(1)的CP端(K3處于圖示位置),使其加1。可見,十進制計數器的zui低位每輸入一個脈沖,表示車前進了100米,即0.1公里。其余十進制計數器記錄的依次為里程的個位~萬位。
  
  2.4其它電路
  
  K1是雙刀雙擲開關,用于顯示器工作狀態選擇。置于“公里”一邊,LED2的小數點因K1-2閉合得電而顯示,顯示器顯示的是公里數;置于“轉數”一邊因K1-2斷路小數點失電不再顯示,且由于十進制計數器直接接收脈沖信號,顯示器顯示車輪旋轉圈數。
  
  譯碼電路CD4511能直接推動LED數碼管工作。它的BI滅燈控制端,低電平有效。該控制端通過開關K2接至+12V電源上。平時BI為低電平處于滅燈狀態,數碼管不顯示以節省電能;當按下K2時,數碼管工作顯示里程或車輪旋轉圈數。當然,也可去掉K2,將BI與+12V短接,則數碼管始終處于工作狀態。LT、LE是它的試燈控制與鎖定允許輸入端,均已接無效電平。
  
  C1、R52以及IC3等構成上電復位電路,這里IC3被用作反相器。上電時+12V的高電平通過C1加至六個十進制計數器的Cr端使它們復位;同時這個復位信號經IC3、G2后又加至CD4040的Cr端使它也復位。復位開關K3按下時的工作過程與此相同。
  
  電路需要+12V電源,可用車上的蓄電池供電。如果蓄電池電壓超過12V,應通過穩壓電路供電,例如用三端穩壓塊7812或LM317等進行穩壓。
  
  3、結束語
  
  電路只有一個參數需要調試,通過調整Rw改變IC1同相端的電壓。應保證在霍爾集成電路H與磁鋼距離zui近時,該端電壓高于其反相端(即霍爾集成電路輸出端)的電壓;霍爾集成電路遠離磁鋼時,該端電壓低于其反相端的電壓。由于100米不可能恰好等于車輪周長的整數倍,故計量結果會產生誤差,其誤差的大小與車輪實際尺寸有關。對于1.834米周長的車輪。誤差為1%。當K1置于“轉數”一邊時,顯示器顯示的結果再乘以車輪周長可得到誤差更小的結果。如果相應地增加CD4518和LED數碼管的數量,可擴大量程。

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