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本科毕业设计（论文）说明书本科毕业设计（论文）说明书 电动汽车在线监测系统开发 学学 院院 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 专专 业业 车辆工程车辆工程 学生姓名学生姓名 杨会州杨会州 指导教师指导教师 朱刚朱刚 康龙云康龙云 提交日期提交日期 20102010 年年 6 6 月月 6 6 日日 华南理工大学毕业设计（论文）任务书 华华 南南 理理 工工 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 （论文）（论文） 任任 务务 书书 兹发给 06 车辆工程（2） 班学生 杨会州 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 电动汽车在线监测系统开发 2.应完成的项目： （1）研究霍尔传感器工作原理以及采样电路的设计； （2）研究施密特触发器的工作原理，设计 hef40106bp 触发器的调理电路；研究 调理电路的设计方法，设计电流、电压信号的调理电路； （3）研究 usb2080 采集卡的工作原理； （4）研究在 labview 平台上开发车速、电流、电压监测系统的原理及方法，在已 有的硬件环境下设计基于 lavview 的在线监测系统； 3.参考资料以及说明： （1）陈花玲.机械工程测试技术m .北京：机械工业出版社，2006:15-40 （2）杨乐平.labview 研高级程序设计m .北京：清华大学出版社，2004:50- 100 （3）林利.基于 labview 的混合动力汽车车载参数监控系统的研发d .重庆：重 庆大学，2009 （4）robert h.bishop .labview student edition 6i m .乔瑞萍,林欣,译.北京：电子 工业出版社，2003:3-20 （5）谢声斌.数字电路与逻辑电路教程m .北京：清华大学出版社，2004:10- 100 （6）殷瑞祥，罗昭智，朱宁西.电路基础m .广州：华南理工大学出版社， 2004:80-89 4.本毕业设计（论文）任务书于 2009 年 12 月 25 日发出，应于 2010 年 6 月 6 日前 完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 华南理工大学毕业设计（论文）任务书 专业教研组（系） 、研究所负责人 审核 年 月 日 指导教师 签发 年 月 华南理工大学毕业设计（论文）评语 毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩负责人签字： 年 月 日 摘要 i 摘摘 要要 本文详细介绍了基于 labview 的电动汽车在线监测系统设计制作的整个过程。 由于在实际电路中各元器件的布局、参数的选择会影响信号的采集，并且测速程序 中各系数的计算方法会影响到输出车速的准确性。针对这种情况，本文在设计过程 中进行了反复的实验，直到实验结果满足要求为止。 labview 是一个通用编程系统，它不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和 输入输出功能，它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具，尤 其还带有专业的数学分析程序包，基本上可以满足复杂的工程计算和分析要求。本 文就是讨论基于 labview 的在线监测系统的设计方法。 本文按信号流动为顺序，即按信号的产生、整形、采集和 a/d 转换、在程序中 计算并显示为顺序介绍了基于 labview 的在线监测系统的设计方法。首先在介绍 霍尔转速、电压、电流传感器工作原理的基础上，设计了信号的采样电路；其次介 绍了调理电路的设计方法；最后，在介绍采集卡工作原理的基础上，详细介绍了车 速监测系统的设计方法，并进行了反复的实验。 实验结果表明，基于 labview 的在线监测系统能够实时准确的反映汽车的实 际速度和蓄电池的电流、电压，而且该系统的可移植行强，只要改变相关的参数就 能用于其他车辆的测量。 关键词关键词：电动汽车；虚拟仪器；在线监测系统 abstract ii abstract in this paper, the labview-based electric vehicle online monitoring system designed for the whole process is introduced particularly. since all components in the actual circuit layout, selection of parameters will affect the signal acquisition, and in speed process the calculation method of all factors affecting the accuracy of the output speed. in view of this situation, during the paper design was repeated the experiment until the results meet the requirement. labview is a general programming system, it is not only able to complete the general math and logical operations and input and output capabilities, it is used with specialized data acquisition and instrument control of the library functions and development tools, particularly, with professional mathematics analysis package, basically to meet complex engineering calculations and analysis requirements. this article is to discuss the online monitoring system based on labview design method. this paper is according to the order flow of the signal, ie signal generation, shaping, acquisition and a / d conversion, the program calculated and displayed for the order, introduced the online monitoring system based on labview design method. first, in introducing the principle hall speed/current/voltage sensor based on the design of the signal output circuit; then, the conditioning circuit design method was introducedt; finally, in introducing the work of collecting cards based on the principle, details of the speed monitoring system design, and conducted repeated experiments. experiment to the results show that the online monitoring system based on labview real-time accurate reflection of the actual vehicle speed and battery current, voltage. and that the system have a good portability, as long as the parameters associated with changes can be used for other measurements. keywords: electric vehicle; virtual instruments; online monitoring system 目录 iii 目目 录录 摘摘 要要i abstract.ii 目目 录录.iii 第一章第一章 绪论绪论.- 1 - 1.1 研究背景 .- 1 - 1.2 国内外研究现状- 1 - 1.3 实验设备简介- 2 - 1.4 主要研究内容 .- 2 - 1.5 设计目标 .- 3 - 1.6 本文章节安排- 3 - 第二章第二章 传感器及其采样电路传感器及其采样电路.- 5 - 2.1 霍尔传感器 .- 5 - 2.1.1 霍尔效应.- 5 - 2.1.2 霍尔传感器及分类- 5 - 2.1.3 霍尔传感器的特性- 5 - 2.2 霍尔转速传感器 .- 6 - 2.2.1 开关型霍尔传感器的结构- 6 - 2.2.2 开关型霍尔传感器在测速上的应用.- 6 - 2.2.3 采样电路设计.- 7 - 2.2.4 实验结果- 7 - 2.3 霍尔电流传感器 .- 8 - 2.3.1 工作原理- 8 - 2.3.2 基本性能参数- 9 - 2.3.3 采样电路设计- 9 - 2.4 霍尔电压传感器 .- 10 - 2.4.1 工作原理- 10 - 2.4.2 基本性能参数- 10 - 2.4.3 采样电路设计- 11 - 2.5 本章小结- 12 - 第三章第三章 调理电路及直流稳压电源调理电路及直流稳压电源.- 13 - 3.1 调理电路 .- 13 - 3.2 霍尔转速传感器的调理电路 .- 13 - 3.2.1 施密特触发器- 13 - 3.2.2 集成施密特触发器- 14 - 3.2.3 hef40106bp 集成施密特触发器.- 14 - 3.2.4 实验结果.- 16 - 3.3 霍尔电流、电压传感器的调理电路 .- 16 - 3.4 直流稳压电源 .- 17 - 目录 iv 3.5.1 固定输出的三端集成稳压器- 18 - 3.5.2 输出为+5v 的稳压电路- 18 - 3.5.3 输出为+15v、-15v 的稳压电路- 19 - 3.6 本章小结 .- 19 - 第四章第四章 usb2080 采集卡采集卡 - 20 - 4.1 功能概述 .- 20 - 4.1.1 基本功能- 20 - 4.1.2 数据格式及换算关系- 21 - 4.2 软件说明 .- 21 - 4.2.1 usb 设备管理 - 21 - 4.2.2 批量读取 ad 数据 - 21 - 4.2.3 设备驱动接口函数- 23 - 4.3 实验测试 .- 23 - 4.4 本章小结 .- 24 - 第五章第五章 基于基于 labview 开发的在线监测系统开发的在线监测系统- 25 - 5.1 labview 概述- 25 - 5.1.1 labview 的产生及发展 .- 25 - 5.1.2 labview 环境 .- 26 - 5.1.3 labview 的特点 .- 26 - 5.1.4 labview 的优势 .- 27 - 5.2 labview 的测速程序设计- 28 - 5.2.1 测速流程- 28 - 5.2.2 脉冲计数- 28 - 5.2.3 旋转圈数- 30 - 5.2.4 计时、电机转速及车速、行驶里程- 30 - 5.2.5 采样定理与采样频率- 33 - 5.2.6 实验验证- 35 - 5.3 labview 的测电流、电压程序设计- 36 - 5.3.1 labview 的测电流程序设计 .- 36 - 5.3.2 labview 的测电压程序设计 .- 37 - 5.4 本章小结 .- 37 - 第六章第六章 总结与展望总结与展望.- 38 - 6.1 总结 .- 38 - 6.2 展望 .- 38 - 致谢致谢.- 39 - 参考文献参考文献.- 40 - 第一章 绪论 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 世界上第一辆汽车是纯电动汽车，现在一般认同的看法是：1873 年英国人 robert davidson 制造的一辆电动三轮车，它比以内燃机为动力的汽车发明早 13 年。 汽车诞生一百多年来，汽车工业取得巨大的发展，特别是进入 21 世纪后，发展速 度更快。汽车的发展是从纯电动汽车开始的，进入 20 世纪由于大量发现油田，石 油开采提炼和内燃机技术的迅速进步，电动汽车则由于电池技术进步缓慢，在性能、 价格等方面都难以与燃油汽车竞争而逐步被燃油汽车所取代1。 传统汽车对石油资源的依赖性随着汽车的发展变得越来越强，然而石油资源却 日益枯竭，传统汽车对石油资源的依赖性和石油储量的不断锐减已形成鲜明的反差。 经历 70 年代三次石油危机唤起了人类对有限石油资源的关注，加之传统汽车排放 物本身或其经过转化产生的物质对环境引起了很大的破坏，比如：光化学烟雾、酸 雨以及厄尔尼诺现象等，严重破坏了人类赖以生存的生态系统。另外，汽车尾气排 放对人类自身也造成了极大危害，例如：铅进入人体与血液生成“血铅” ，破坏造 血系统和神经系统；co 进入人体与人体血红蛋白结合破坏人体内氧的输送及交换； nox 对人的呼吸系统有较大的刺激作用等。能源问题、环境问题已成为制约汽车工 业可持续发展的主要瓶颈。为了获得汽车工业的可持续发展，节能和新能源技术已 经被摆在最突出的位置上，于是全世界纷纷提出了远景目标，并积极研究清洁、节 能的汽车。于是，纯电动车、混合动力汽车、燃料电池汽车及太阳能电动车的研究 层出不穷2。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 本设计是在 labview 平台上开发的电动汽车在线监测系统：霍尔效应式速度、 电流、电压传感器将电机的转速、蓄电池电流和电压转化为脉冲信号，通过调理电 路对波形进行整形，然后将脉冲信号输入到采集卡进行 a/d 转换，最后把数字信号 输入到计算机上，通过 vi 将车速、电流、电压显示出来，实现对车速、电流、电 压的实时监控。下面就 labview 开发平台和电动汽车在线监测系统两方面的国内外 研究状况作一简要介绍3-4。 1、labview 开发平台： labview 是 laboratory virtual instrument engineering workbench(实验 室虚拟仪器集成环境)的简称，是有美国国家仪器公司（national instruments,ni）创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具 5 第一章 绪论 - 2 - -6 。目前，国内外有许多部门和公司都在积极地开展虚拟仪器方面的研究和应用 工作。比如，国内外许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教 学中。虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟电路和数字电路测试、现代家用 电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、 电工技术领域、电子测量、电力工程、物矿勘探、故障诊断等的可移动式现场测试 工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽。 2、电动汽车在线监测系统； 目前，国内外很多公司与机构都投入巨资进行电动汽车数据采集系统的研制 开发与生产销售。北京理工大学研制的车辆 amt 的数据采集及分析系统，该系统在 采集大量数据的同时，还具备数据分类、存储和分析功能。福特、博世等公司开发 的车载式汽车性能数据采集装置，这些装置采集精度高、采集参数全、体积小、安 装拆卸方便，具备动态分析汽车各种性能的能力。 目前，国内外电动汽车数据采集系统普遍存在的问题是数据采集的可靠性和 抗干扰性等问题。由于电动汽车数据采集要求数据采集硬件装置稳定性好，便携性 好，同时由于其工作环境(运行中的车辆)的复杂而给数据采集工作提出了较高的要 求，系统的抗震性，抗干扰性以及对数据的存储能力、系统综合性能等都是需要考 虑的重要因素7-10。 1.3 实验设备简介实验设备简介 在完成本设计时，实验室拥有一辆太阳能电动汽车、一个霍尔转速传感器、 一个阿尔泰公司生产的 usb 采集卡、施密特触发器 hef40106bp 集成芯片若干等专 门的硬件设备；还有一般实验常用的示波器、电烙铁、焊锡、万用表、电容、电阻、 万用板等必需设备；以及 labview2009 版。此外，还专门购买了 l7805、l7815、l7915、涤纶电容、二极管、9v 干电池若干个。 1.4 主要研究内容主要研究内容 本文主要是给现有的太阳能电动汽车开发在线监测系统。研究的主要内容有以 下五点： （1）研究霍尔转速、电流、电压传感器的工作原理，设计霍尔传感器信 号采样电路。 （2）研究调理电路的设计方法，为霍尔传感器的信号输出设计调理电路。 重点研究施密特触发器 hef40106bp 芯片的工作原理，设计该芯片的 滤波电路，使得霍尔传感器输出的矩形脉冲信号经过施密特触发器 整形成标准的矩形脉冲波。 第一章 绪论 - 3 - （3）研究 usb2080 采集卡的工作原理、驱动程序以及数据输出方式。 （4）熟悉 labview 开发环境，掌握使用 labview 编程的技巧，了解采用 各种方法实现程序功能的优缺点；编写电动汽车速度、电流、电压 监测系统，对系统运行的速度、计算结果的精确性进行分析，确定 适合该电动车的监测系统的实现方式。 （5）安装霍尔转速、电流、电压传感器，连接调理电路、采集卡，在行 驶工况下测量车速、电流电压，并对监测系统的精确性进行核算， 调整 vi 程序实现方式，直到达到精度为止。 1.5 设计目标设计目标 本设计利用已有的软硬件设备资源，开发电动汽车在线监测系统。无论汽车在何 种工况下行驶，系统都能快速的采集车速、电流、电压信号，并经过相关的程序， 将车速、汽车行驶里程、电流、电压实时准确的显示在人机界面。人机界（human- computer interface,简写 hci，又称用户界面或使用者界面）：是人与计算机之间 传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分11。通过该界面， 可以实现对车速的实时精确的监测。 1.6 本文章节安排本文章节安排 本文主要是对电动汽车在线监测系统进行研究设计。在介绍分析霍尔转速传感 器、施密特触发器、三端稳压器的工作原理和相关电路设计后，设计制作了与之相 关的各种电路。然后介绍了 usb2080 采集卡的工作原理、驱动程序和数据输出方式。 接着，深入学习 lavview 的设计方法，并设计出基于 lavview 的车速监测系统。最 后，安装霍尔传感器，连接调理电路、采集卡，在行驶工况下测量车速、采集实验 数据，并对实验数据进行分析。 本文章节安排如下： 第一章介绍课题的研究背景、国内外研究现状、实验设备、主要研究内容以及 设计所要达到的目标。 第二章介绍霍尔转速、电流、电压传感器的工作原理以及采样电路的设计。 第三章介绍采用施密特触发器设计霍尔转速传感器的调理电路,以及利用 filterlab 设计霍尔电流、电压传感器调理电路。 第四章介绍 usb2080 采集卡的基本功能和驱动函数接口。 第五章介绍 labview 的产生及发展、特点、开发环境和优势；接着介绍了应用 labview 开发测速程序的方法，测速程序的实现方法和采用定理，并用实验的方法 证明了程序的可行性；最后介绍应用 labview 开发测电流、电压程序的方法。 第一章 绪论 - 4 - 第六章对全文的研究内容进行了简要的总结，并提出了改进方向。 第二章 传感器及其采样电路 - 5 - 第二章第二章 传感器及其采样电路传感器及其采样电路 2.1 霍尔传感器霍尔传感器 2.1.1 霍尔效应霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象 是美国物理学家霍尔（a.h.hall，1855 1938）于 1879 年在研究金属的导电机构时发 现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在 导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之 间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。 这个电势差也被叫做霍尔电势差12。 图 2-1 是霍尔效应的原理图。 2.1.2 霍尔传感器及分类霍尔传感器及分类 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿 电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。 (一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放 大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 （二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、 差分放大器，施密特触发器和输出级组成，它输出 数字量。 2.1.3 霍尔传感器的特性霍尔传感器的特性 （1）线性型霍尔传感器的特性 图 2-2 霍尔传感器的线性特性 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图 2-2 所示，可见，在 b1b2 的磁 感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 （2）开关型霍尔传感器的特性 如图 2-3 所示，其中 bop 为工作点“开”的磁感应强度，brp 为释放点“关” 的磁感应强度。 当外加的磁感应强度超过动作点 bop 时，传感器输出低电平，当磁感应强度 降到动作点 bop 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点 brp 时，传感器 图 2-1 霍尔效应 第二章 传感器及其采样电路 - 6 - 才由低电平跃变为高电平。bop 与 brp 之间的滞 后使开关动作更为可靠13。 2.2 霍尔转速传感器霍尔转速传感器 本设计采用的是开关型霍尔传感器。 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、 差分放大器，施密特触发器和输出级组成，它输出数字量。 2.2.1 开关型霍尔传感器的结构开关型霍尔传感器的结构 开关型霍尔传感器由稳压器 a、硅霍尔片 b、差分放大器 c、施密特触发器 d 和 oc 门输出 e 五部分组成,如图 2-4 所示.从输入端 1 输入电压 vcc,经稳压器 a 稳 压后加在硅霍尔片 b 的两端,以提供 恒定不变的工作电流.在垂直于霍尔 片的感应面方向施加磁场,产生霍尔 电势差 vh,该 vh 信号经差分放大器 c 放大后送至施密特触发器 d 整形. 当磁场达到“工作点”(即 bop)时, 触发器 d 输出高电压(相对于地电位), 使三极管 e 导通,输出端 vo 输出低电位,此状 态称为“开”.当施加的磁场达到“释放点”(即 brp)时,触发器 d 输出低电压,使三 极管 e 截止,输出端 vo 输出高电位,此状态称为“关”.这样 2 次高低电位变换,使 霍尔传感器完成了 1 次开关动作.如图 3 示.bop-brp 称为磁滞.在此差值内,输出电 位 vo 保持高电位或低电位不变,因而输出稳定 可靠14。 2.2.2 开关型霍尔传感器在测速上的应用开关型霍尔传感器在测速上的应用 开关型霍尔传感器主要用于测转数、转 速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报 警器、自动控制电路等。 如图 2-5 所示， ，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近 圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数 器） ，若接入频率计，便可测出转速。如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律 图 2-3 开关型霍尔传感器的特性 图 2-4 开关型霍尔传感器的构 成 图 2-5 开关型霍尔传感器的测速原理 第二章 传感器及其采样电路 - 7 - 地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉 冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度13。 2.2.3 采样电路设计采样电路设计 本设计采用的是常闭式开关型霍尔传感器。该传感器在没有转速即没有外磁场 时信号端一地导通；当有转速信号即旋转 产生外磁场时，信号输出端与地断开；通 过上拉电阻 r 使信号端在开关闭合时输出 低电平 0，开关断开时输出高电平+5v(传感 器的电源电源为+5v)。 如图 2-6 所示，为输出信号采样电路 图。在该电路中： 。 cc 5 ,4.7vvrk 电源上拉电阻 所以，当磁钢随着圆盘旋转时，开关 型霍尔传感器中的三极管 e 就会不断“截止导通截止导通” ，而信号 输出端则输出“+5v0v+5v0v”的脉冲信号。 2.2.4 实验结果实验结果 图 2-7 霍尔转速传感器输出的信号脉冲 图 2-7 为采用图 2-6 电路图测量的霍尔传感器的脉冲波形图。从图中可以开出， 该脉冲的高电平为+5v、低电平为 0v，脉冲形状为缺角的矩形，符合设计要求。 图 2-6 开关型霍尔传感器的采样电路 第二章 传感器及其采样电路 - 8 - 2.3 霍尔电流传感器霍尔电流传感器 本设计采用的是宇波 chb-200s 电流传感器，该传感器是采用霍尔磁补偿的原理 工作的。 2.3.1 工作原理工作原理 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流 ip 在聚磁环处所产生的磁 场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流 is 精确的反映原边 电流 ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 图 2-8 霍尔电流传感器工作原理 具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集 并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一 个补偿电流 is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场 正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与 ip 与匝数 相乘所产生的磁场相等时，is 不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用， 此时可以通过 is 来测试 ip。当 ip 变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出， 即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场 失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级 绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到 1s，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任 何时间都与初级被测电流的安匝数相等。如图 2-8 所示，为霍尔电流传感器的工作 原理图15。 第二章 传感器及其采样电路 - 9 - 2.3.2 基本性能参数基本性能参数 如表 2-1 所示，为 chb-200s 电流传感器的基本性能参数。 表 2-1 chb-200s 电流传感器的基本性能参数 型号 chb-200s n i额定电流（rms） 200a p i测量范围0300a m r测量电阻 min m r max m r () c vv (在 200a 或 300a 时) 0 （在 200a 时） ； 50 （在 300a 时） 2.5 () c vv (在 200a 或 300a 时) 20 （在 200a 时） ； 50 （在 300a 时） 20 m i测量电流（输出电流）额定值为 100ma,对应原边电流为 200a n k匝数比1：2000 c v 电源电压（） c v 5%vv （） f 频率范围 0-100khz a t工作温度 070cc 如表 2-1 可知：由于传感器线圈的匝数比为 1：2000，所以当测量电流为 100ma 时,对应的原边电流为 200a。 2.3.3 采样电路设计采样电路设计 测量电压的计算公式为： 在实际过程中，电动汽车的起动时电流最大，约为 60a。取测量电阻，40 m r 则只要测量出电压的值，便能得出原边电流的值。其换算公式为： m v p i 2000 50 m pm v iv m r （2-1） （2-2） 2000 p mmm i viraa m r 第二章 传感器及其采样电路 - 10 - 图 2-9 所示，电流传感器的采样电路连接图。 图 2-9 电流传感器的采样电路连接图 图 2-10 霍尔电压传感器工作原理 2.4 霍尔电压传感器霍尔电压传感器 本设计采用的是宇波 chv-25p 闭环电压霍尔传感器，该传感器是采用霍尔磁补 偿的原理工作的。 2.4.1 工作原理工作原理 霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作 的。原边电压 vp 通过限流电阻 ri 产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环 内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流 is 流过副边线圈产生的磁 场进行补偿，其补偿电流 is 精确的反映原边电压 vp。如图 2-10 所示，是电压传感 器的工作原理图。 2.4.2 基本性能参数基本性能参数 如表 2-2 所示，为 chv-25p 电流传感器的基本性能参数。 第二章 传感器及其采样电路 - 11 - 表 2-2 chv-25p 电流传感器的基本性能参数 型号 chb-200s n i额定电流10ma（rms） p i测量范围014m a m r测量电阻 min m r max m r (15 ) c vvv (在 10ma 或 14ma 时) 0 （在 10ma 时） ；350 （在 300a 时）190 m i 测量电流（输出电流） 输出额定值为 25ma,对应原边电流为 10ma n k匝数比2500：1000 c v 电源电压（） c v 5%vv （） f 频率范围 0-100khz a t工作温度 070cc s r 副边内阻（ ）70 a tc 110 原边内阻（ ）70 a tc 250 2.4.3 采样电路设计采样电路设计 本设计所用的电动车为采用 6 个 8v 的蓄电池串联供电,串联电压为 48v。由霍尔 电压传感器的工作原理可知：原边电流。 1 n n s v i rr 由于，取，则。250 s r （原边内阻） 1 4.7rk 3 1 4.95 10 nn n s vv i rr 由于，则测量电流。:2500:1000 mn ii 3 2.5 2.5 4.95 10 n mn v ii 由于测量电压,取测量电阻,* mmm vir200 m r 则：。 3 4.95 10 9.9 2.5 200 m nm v vv （2- 3） （2- 4） （2- 5） 第二章 传感器及其采样电路 - 12 - 所以，只要测量出电压的值，就能求出电压的值。其中，电压由 usb 采 m v n v m v 集卡采集。如图 2-11 所示，为电压传感器采样电路连接图。 图 2-11 电压传感器采样电路连接图 2.5 本章小结本章小结 本章首先介绍了霍尔效应和霍尔传感器，并对霍尔传感器进行简单的分类；然 后分别介绍分别介绍了霍尔转速传感器、霍尔电力传感器、霍尔电压传感器的工作 原理、基本性能参数和采样电路的设计方法；在介绍完霍尔转速传感器采样电路的 设计后，还对转速传感器的采样电路进行测试，实验结果表明：采样电路的设计符 合要求。 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 13 - 第三章第三章 调理电路及直流稳压电源调理电路及直流稳压电源 3.1 调理电路调理电路 信号调理：就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、 执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、 压力、光强等.但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输 出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。 调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(adc)的输入。然 后，adc 对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到 mcu 或其他数字器件，以便用 于系统的数据处理16。 3.2 霍尔转速传感器的调理电路霍尔转速传感器的调理电路 3.2.1 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器可以把不规则的输人波形变成良好的矩形彼。图 3-1 是它的输人、 输出特性 由图 3-1 可以看到，该电路有两个稳态：一个稳态输出高电平，另一个稳态 oh v 输出低电平。但是这丙个稳态信号要靠输人信号电平来维持。 ol v 施密特触发器的另一个特点是输入输出的回差特性。当输入信号高于时电 t v 路处于一个稳态（输出高电平） ，人称为上触发电平或正向阈值电压；当输人信 oh v 号低于时，电路处于另一个稳态（输出低电平）称为下触发电平或负向 t v ol v t v 阈值电压。 图 3-1 密特触发器输入输出特性 0 v0 vi voh oh vt -vt + vol 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 14 - 3.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 国产集成施密特触发器有双四输入与非门（带施密特触发器）ct1013 、ct4013、ct54/74f14，六反相器（带施密特触发器） ct1014、ct4014、ct5474f14 等。其典型电路如图 3-2 所示。 图 3 -2 国产施密特触发器 集成施密特触发器的上触发电平 大约在 1.7v 左右，下触发电平大约在 t+ v t- v 0.9v 左右，输出高电平大约在 3.4v 左右，输出低电平大约在 0.2v 左右17。 oh v ol v 3.2.3 hef40106bp 集成施密特触发器集成施密特触发器 1、 基本特性 本设计采用的是型号为 hef40106bp 的集成施密特触发 器。 图 3-3 管脚图图 3-4 管脚功能图 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 15 - 如图 3-3 所示，为芯片的管脚图。 如图 3-4 所示，为芯片的管脚功能图。 hef40106bp 在=0v;时的直流特性如表 3-1 所示： ss v25 amb t 表 3-1 直流特性 (v) dd v符号最小(v)典型(v)最大(v) 回差电压 5 10 15 h v 0.5 0.7 0.9 0.8 1.3 1.8 正向阈值电压 5 10 15 p v 2 3.7 4.9 3.0 5.8 8.3 3.5 7 11 负向阈值电压 5 10 15 n v 1.5 3 4 2.2 4.5 6.5 3 6.3 11 图 3-5 表示的是 hef40106bp 的输入输出特性。 本设计,如直流特性表查的：5 dd vv 正向阈值电压的典型值为 3.0v，负向阈值电压的典型值为 2.2v，回差电压的 p v n v 典型值。 phn vvv 图 3-5 输入输出特性 2、高阻抗驱动电路 图 3-6 表示的是施密特触发器通过高阻抗驱动的电路图。 如图 3-6 所示，电容 c、寄生电容、电源、地端、回差电压应满足： p c dd v ss v h v 否则，在脉冲的边缘将会发生振荡。其中，寄生电容与电路板的布置有关，一般 p c 很小。由于=5v、=0、=0.8v,取、。此时，rc 构成 dd v ss v h v0.1cf4.7rk 一个低通滤波器，把高频的噪声旁路掉。该滤波器的截止频率为： （3- 1） ddss ph vvc cv 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 16 - 其中，是霍尔传感器输出信号的最大频率。 max f 图 3-6 通过高阻抗的驱动电路 3.2.4 实验结果实验结果 将上述的驱动电路连同 hef40106bp 芯片焊接在一个电路板上，接+5v 电源、 dd v 接地，把从霍尔传感器输出的信号接到口上，口接示波器。实验的结果如 ss v 1 i 1 o 图 3-7 所示。与图 2-7 比较可知，经过施密特触发器的整形，输出信号变成标准的 矩形脉冲，达到了预期的结果，符合要求！ 图 3-7 经过施密特触发器整形的脉冲 3.3 霍尔电流、电压传感器的调理电路霍尔电流、电压传感器的调理电路 霍尔电流、电压传感器的输出信号为直流电压信号，但由于信号微弱并且在 传输过程中中受到高频噪声的影响，所以为了使采集卡能够采集到正确的信号，需 对输出信号进行调理。 （3- 2） 3 max 11 f102127 zf 4.7 0.1 h rc 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 17 - 本文采用 filterlab 设计电流、电压传感器的调理电路。考虑到电流、电压 信号均为直流信号，而且都采用 usb2080 采集卡对其信号进行采集，所以其调理电 路的各设计参数相同。usb2080 的采用频率 138hz 到 400khz，在满足采样定理的前 提下，设置调理电路的截止频率为 4000hz, 采用巴特沃斯响应，设计三阶低通滤波 器。其响应图和电路图如图 3-8、3-9 所示。图 19 表示滤波器的响应特性，图 20 表示滤波器的电路图19-21。 图 3-8 滤波器的响应特性 图 3-9 滤波器电路图 3.4 直流稳压电源直流稳压电源 由于霍尔传感器和施密特触发器的电源均为+5v，霍尔电流、电压传感器的电 源为-15v-+15v.为满足实验要求，专门制作了一个直流稳压电源。采用固定输出的 三端集成稳压器 l7805、l7915、l7815 制作而成。 集成稳压器是把功率调整管、取样电路以及基准稳压源、误差放大器、启动 和保护电路等集成在一块芯片上，形成的一种串联型集成稳压电路。常见的集成稳 压器引出三个脚，它的输出电压有可调和固定两种形式。固定式输出电压为标准值， 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 18 - 使用时不能再调节；可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。此外， 还有输出正电压和输出负电压的三端集成稳压器。 三端集成稳压器的型号有多种，常用的输出为固定正电压的型号有 w78xx 系 列；输出为固定负电压的型号为 w79xx 系列；输出为可调正电压的型号有 w317 系 列；输出为可调负电压的型号有 w337 系列。 3.5.1 固定输出的三端集成稳压器固定输出的三端集成稳压器 固定输出的三端集成稳压器的三端指输入端（1 脚） 、输出脚（2 脚）及公共 端（3 脚）三个引出端。固定输出的三端集成稳压器 w78xx 系列和 w79xx 系列各有 7 个品种，输出电压分别为5v、6v、9v、12v、15v、18v、25v；最 大输出电路可达 1.5a；公共输出端的静态电流为 8ma。型号后两位数字（xx）为输 出电压值，例如 w781 表示输出电压=+15v。在根据稳定电压值选择稳压器的型号 0 u 时，要求经整流滤波后的电压要高于三端稳压器的输出电压 2v-3v（输出负电压要 低于 2v-3v）,但不宜过大。因为输入与输出电压之差等于加在调整管上的,如 ce u 果过小，调整管容易工作在饱和区，降低稳压效果，甚至失去稳压作用；若过大， 则功耗过大。 3.5.2 输出为输出为+5v 的稳压电路的稳压电路 固定输出的三端集成稳压器的基本应用电路如图 3-10 所示。图 3-10 中用 1 c 以抑制过电压，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；用以改善负 0 c 载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不至于引起输出电压有较大的波动。、 1 c 一般选为涤纶电容，容量为至几个。安装时，两电容应直接与三端稳 0 c0.1 ff 压器的引脚根部相连22。 本设计中，选用 l7805 三端集成稳压器，、，采用 9v 1 0.33cf 0 0.1cf 的干电池提供电源。按图 22 焊接电路，电路板焊接图以及实测的稳压结果如图 3- 11 所示。 图 3-10 稳压电路图 w7800+ - + - c1c0 12 3u1u0 第三章 调理电路及直流稳压电源 - 19 - 图 3-11 +5v 稳压电路 图 3-12 +15v 稳压电路 图 3-13 -15v 稳压电路 3.5.3 输出为输出为+15v、-15v 的稳压电路的稳压电路 输出为+15v、-15v 的稳压电路的设计方法与输出为+5v 稳压电路的设计方法相 同。 本设计中，选用 l7815、l7915 三端集成稳压器， 、，采用两个 9v 的干电池提供电源。按图 22 焊接电路，电 1 0.33cf 0 0.1cf 路板焊接图以及实测的稳压结果如图 3-12、3-13 所示。图 3-12 是输出为+15v 的稳 压电路，图 3-13 是输出为-15v 的稳压电路。 3.6 本章小结本章小结 本章首先介绍了调理电路的作用；然后介绍了霍尔转速传感器的调理电路设计 方法，其中介绍了施密特触发器和集成施密特触发器，并对调理电路进行实际测试； 接着介绍了霍尔电流、电压传感器的调理电路的方法；最后补充介绍了利用集成三 端稳压器制作的直流稳压电源的方法。 第四章 usb2080 采集卡 - 20 - 第四章第四章 usb2080 采集卡采集卡 4.1 功能概述功能概述 usb2080 卡是一种基于 usb 总线的数据采集卡，可直接与计算机的 usb 接口 连接，构成实验室、产品质量监测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系 统。也可构成工业生产过程的监控系统。它的主要应用场合为： （1） 电子产品质量检测； （2） 信号采集； （3） 过程控制； （4） 伺服控制； 4.1.1 基本功能基本功能 usb2080 采集卡的适用各种领域的数据采集，功能多，下面就把本实验所涉 及到的功能分条一简要介绍： （1） 转换器：ad7899-1（兼容 ad7899-2） 。采用该转换器时输入量程范围 为5v、10v。 （2） 输入量程：10v。在 ad 模拟量输入跳线中设置。 （3） 转换精度：14 位。把-10v 到+10v 的数按相同的间隔以二进制的方式 存储在 14 位的存储器中。 （4） 采样频率：138hz 到 400khz。在驱动程序中设定为 5000hz 到 60khz 范围内的可自动改变。 （5） ad 采集方式：连续采集。 （6） 物理通道数：32 通道（单端） 。 （7） 采样通道数：在驱动程序中设定为一个通道，0 通道。 （8） 模拟量输入方式：单端模拟输入。 （9） 模拟输入阻抗：100。m （10）通道却换方式：首末通道顺序却换。 （11）触发方式：软件内触发。 （12）触发类型：边沿触发。 （13）触发方向：负向触发。 第四章 usb2080 采集卡 - 21 - 4.1.2 数据格式及换算关系数据格式及换算关系 本设计采用的是输入量程为10v 的双极性的输入。