本科畢業設計 論文 說明書本科畢業設計 論文 說明書 電動汽車在線監測系統開發 學學 院院 機械與汽車工程學院機械與汽車工程學院 專專 業業 車輛工程車輛工程 學生姓名學生姓名 楊會州楊會州 指導教師指導教師 朱剛朱剛 康龍云康龍云 提交日期提交日期 20102010 年年 6 6 月月 6 6 日日 華南理工大學畢業設計 論文 任務書 華華 南南 理理 工工 大大 學學 畢畢 業業 設設 計計 論文 論文 任任 務務 書書 茲發給 06 車輛工程 2 班學生 楊會州 畢業設計 論文 任務書 內容如下 1 畢業設計 論文 題目 電動汽車在線監測系統開發 2 應完成的項目 1 研究霍爾傳感器工作原理以及采樣電路的設計 2 研究施密特觸發器的工作原理 設計 HEF40106Bp 觸發器的調理電路 研究 調理電路的設計方法 設計電流 電壓信號的調理電路 3 研究 USB2080 采集卡的工作原理 4 研究在 LabVIEW 平臺上開發車速 電流 電壓監測系統的原理及方法 在已 有的硬件環境下設計基于 LavVIEW 的在線監測系統 3 參考資料以及說明 1 陳花玲 機械工程測試技術 M 北京 機械工業出版社 2006 15 40 2 楊樂平 LabVIEW 研高級程序設計 M 北京 清華大學出版社 2004 50 100 3 林利 基于 LabVIEW 的混合動力汽車車載參數監控系統的研發 D 重慶 重 慶大學 2009 4 Robert H Bishop LabVIEW Student Edition 6i M 喬瑞萍 林欣 譯 北京 電子 工業出版社 2003 3 20 5 謝聲斌 數字電路與邏輯電路教程 M 北京 清華大學出版社 2004 10 100 6 殷瑞祥 羅昭智 朱寧西 電路基礎 M 廣州 華南理工大學出版社 2004 80 89 4 本畢業設計 論文 任務書于 2009 年 12 月 25 日發出 應于 2010 年 6 月 6 日前 完成 然后提交畢業考試委員會進行答辯 華南理工大學畢業設計 論文 任務書 專業教研組 系 研究所負責人 審核 年 月 日 指導教師 簽發 年 月 華南理工大學畢業設計 論文 評語 畢業設計 論文 評語 畢業設計 論文 總評成績 畢業設計 論文 答辯負責人簽字 年 月 日 摘要 I 摘摘 要要 本文詳細介紹了基于 LabVIEW 的電動汽車在線監測系統設計制作的整個過程 由于在實際電路中各元器件的布局 參數的選擇會影響信號的采集 并且測速程序 中各系數的計算方法會影響到輸出車速的準確性 針對這種情況 本文在設計過程 中進行了反復的實驗 直到實驗結果滿足要求為止 LabVIEW 是一個通用編程系統 它不但能夠完成一般的數學運算與邏輯運算和 輸入輸出功能 它還帶有專門的用于數據采集和儀器控制的庫函數和開發工具 尤 其還帶有專業的數學分析程序包 基本上可以滿足復雜的工程計算和分析要求 本 文就是討論基于 LabVIEW 的在線監測系統的設計方法 本文按信號流動為順序 即按信號的產生 整形 采集和 A D 轉換 在程序中 計算并顯示為順序介紹了基于 LabVIEW 的在線監測系統的設計方法 首先在介紹 霍爾轉速 電壓 電流傳感器工作原理的基礎上 設計了信號的采樣電路 其次介 紹了調理電路的設計方法 最后 在介紹采集卡工作原理的基礎上 詳細介紹了車 速監測系統的設計方法 并進行了反復的實驗 實驗結果表明 基于 LabVIEW 的在線監測系統能夠實時準確的反映汽車的實 際速度和蓄電池的電流 電壓 而且該系統的可移植行強 只要改變相關的參數就 能用于其他車輛的測量 關鍵詞關鍵詞 電動汽車 虛擬儀器 在線監測系統 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 目錄 III 目目 錄錄 摘摘 要要 I ABSTRACT II 目目 錄錄 III 第一章第一章 緒論緒論 1 1 1 研究背景 1 1 2 國內外研究現狀 1 1 3 實驗設備簡介 2 1 4 主要研究內容 2 1 5 設計目標 3 1 6 本文章節安排 3 第二章第二章 傳感器及其采樣電路傳感器及其采樣電路 5 2 1 霍爾傳感器 5 2 1 1 霍爾效應 5 2 1 2 霍爾傳感器及分類 5 2 1 3 霍爾傳感器的特性 5 2 2 霍爾轉速傳感器 6 2 2 1 開關型霍爾傳感器的結構 6 2 2 2 開關型霍爾傳感器在測速上的應用 6 2 2 3 采樣電路設計 7 2 2 4 實驗結果 7 2 3 霍爾電流傳感器 8 2 3 1 工作原理 8 2 3 2 基本性能參數 9 2 3 3 采樣電路設計 9 2 4 霍爾電壓傳感器 10 2 4 1 工作原理 10 2 4 2 基本性能參數 10 2 4 3 采樣電路設計 11 2 5 本章小結 12 第三章第三章 調理電路及直流穩壓電源調理電路及直流穩壓電源 13 3 1 調理電路 13 3 2 霍爾轉速傳感器的調理電路 13 3 2 1 施密特觸發器 13 3 2 2 集成施密特觸發器 14 3 2 3 HEF40106Bp 集成施密特觸發器 14 3 2 4 實驗結果 16 3 3 霍爾電流 電壓傳感器的調理電路 16 3 4 直流穩壓電源 17 目錄 IV 3 5 1 固定輸出的三端集成穩壓器 18 3 5 2 輸出為 5V 的穩壓電路 18 3 5 3 輸出為 15V 15V 的穩壓電路 19 3 6 本章小結 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 數據格式及換算關系 21 4 2 軟件說明 21 4 2 1 USB 設備管理 21 4 2 2 批量讀取 AD 數據 21 4 2 3 設備驅動接口函數 23 4 3 實驗測試 23 4 4 本章小結 24 第五章第五章 基于基于 LABVIEW 開發的在線監測系統開發的在線監測系統 25 5 1 LABVIEW 概述 25 5 1 1 LabVIEW 的產生及發展 25 5 1 2 LabVIEW 環境 26 5 1 3 LabVIEW 的特點 26 5 1 4 LabVIEW 的優勢 27 5 2 LABVIEW 的測速程序設計 28 5 2 1 測速流程 28 5 2 2 脈沖計數 28 5 2 3 旋轉圈數 30 5 2 4 計時 電機轉速及車速 行駛里程 30 5 2 5 采樣定理與采樣頻率 33 5 2 6 實驗驗證 35 5 3 LABVIEW 的測電流 電壓程序設計 36 5 3 1 LabVIEW 的測電流程序設計 36 5 3 2 LabVIEW 的測電壓程序設計 37 5 4 本章小結 37 第六章第六章 總結與展望總結與展望 38 6 1 總結 38 6 2 展望 38 致謝致謝 39 參考文獻參考文獻 40 第一章 緒論 1 第一章第一章 緒論緒論 1 1 研究背景研究背景 世界上第一輛汽車是純電動汽車 現在一般認同的看法是 1873 年英國人 Robert Davidson 制造的一輛電動三輪車 它比以內燃機為動力的汽車發明早 13 年 汽車誕生一百多年來 汽車工業取得巨大的發展 特別是進入 21 世紀后 發展速 度更快 汽車的發展是從純電動汽車開始的 進入 20 世紀由于大量發現油田 石 油開采提煉和內燃機技術的迅速進步 電動汽車則由于電池技術進步緩慢 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 傳統汽車對石油資源的依賴性隨著汽車的發展變得越來越強 然而石油資源卻 日益枯竭 傳統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 經歷 70 年代三次石油危機喚起了人類對有限石油資源的關注 加之傳統汽車排放 物本身或其經過轉化產生的物質對環境引起了很大的破壞 比如 光化學煙霧 酸 雨以及厄爾尼諾現象等 嚴重破壞了人類賴以生存的生態系統 另外 汽車尾氣排 放對人類自身也造成了極大危害 例如 鉛進入人體與血液生成 血鉛 破壞造 血系統和神經系統 CO 進入人體與人體血紅蛋白結合破壞人體內氧的輸送及交換 NOx 對人的呼吸系統有較大的刺激作用等 能源問題 環境問題已成為制約汽車工 業可持續發展的主要瓶頸 為了獲得汽車工業的可持續發展 節能和新能源技術已 經被擺在最突出的位置上 于是全世界紛紛提出了遠景目標 并積極研究清潔 節 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 1 2 國內外研究現狀國內外研究現狀 本設計是在 LabVIEW 平臺上開發的電動汽車在線監測系統 霍爾效應式速度 電流 電壓傳感器將電機的轉速 蓄電池電流和電壓轉化為脈沖信號 通過調理電 路對波形進行整形 然后將脈沖信號輸入到采集卡進行 A D 轉換 最后把數字信號 輸入到計算機上 通過 VI 將車速 電流 電壓顯示出來 實現對車速 電流 電 壓的實時監控 下面就 LabVIEW 開發平臺和電動汽車在線監測系統兩方面的國內外 研究狀況作一簡要介紹 3 4 1 LabVIEW 開發平臺 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 實驗 室虛擬儀器集成環境 的簡稱 是有美國國家儀器公司 National Instruments NI 創立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具 5 第一章 緒論 2 6 目前 國內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用 工作 比如 國內外許多大學都在嘗試將虛擬儀器應用到實驗教學和計算機輔助教 學中 虛擬儀器已在超大規模集成電路測試 模擬電路和數字電路測試 現代家用 電器測試 電子元件 電力電子器件測試以及軍事 航天 生物醫學 工廠測試 電工技術領域 電子測量 電力工程 物礦勘探 故障診斷等的可移動式現場測試 工作中得到應用 且應用領域還將不斷拓寬 2 電動汽車在線監測系統 目前 國內外很多公司與機構都投入巨資進行電動汽車數據采集系統的研制 開發與生產銷售 北京理工大學研制的車輛 AMT 的數據采集及分析系統 該系統在 采集大量數據的同時 還具備數據分類 存儲和分析功能 福特 博世等公司開發 的車載式汽車性能數據采集裝置 這些裝置采集精度高 采集參數全 體積小 安 裝拆卸方便 具備動態分析汽車各種性能的能力 目前 國內外電動汽車數據采集系統普遍存在的問題是數據采集的可靠性和 抗干擾性等問題 由于電動汽車數據采集要求數據采集硬件裝置穩定性好 便攜性 好 同時由于其工作環境 運行中的車輛 的復雜而給數據采集工作提出了較高的要 求 系統的抗震性 抗干擾性以及對數據的存儲能力 系統綜合性能等都是需要考 慮的重要因素 7 10 1 3 實驗設備簡介實驗設備簡介 在完成本設計時 實驗室擁有一輛太陽能電動汽車 一個霍爾轉速傳感器 一個阿爾泰公司生產的 USB 采集卡 施密特觸發器 HEF40106Bp 集成芯片若干等專 門的硬件設備 還有一般實驗常用的示波器 電烙鐵 焊錫 萬用表 電容 電阻 萬用板等必需設備 以及 LabVIEW2009 版 此外 還專門購買了 L7805 L7815 L7915 滌綸電容 二極管 9V 干電池若干個 1 4 主要研究內容主要研究內容 本文主要是給現有的太陽能電動汽車開發在線監測系統 研究的主要內容有以 下五點 1 研究霍爾轉速 電流 電壓傳感器的工作原理 設計霍爾傳感器信 號采樣電路 2 研究調理電路的設計方法 為霍爾傳感器的信號輸出設計調理電路 重點研究施密特觸發器 HEF40106Bp 芯片的工作原理 設計該芯片的 濾波電路 使得霍爾傳感器輸出的矩形脈沖信號經過施密特觸發器 整形成標準的矩形脈沖波 第一章 緒論 3 3 研究 USB2080 采集卡的工作原理 驅動程序以及數據輸出方式 4 熟悉 LabVIEW 開發環境 掌握使用 LabVIEW 編程的技巧 了解采用 各種方法實現程序功能的優缺點 編寫電動汽車速度 電流 電壓 監測系統 對系統運行的速度 計算結果的精確性進行分析 確定 適合該電動車的監測系統的實現方式 5 安裝霍爾轉速 電流 電壓傳感器 連接調理電路 采集卡 在行 駛工況下測量車速 電流電壓 并對監測系統的精確性進行核算 調整 VI 程序實現方式 直到達到精度為止 1 5 設計目標設計目標 本設計利用已有的軟硬件設備資源 開發電動汽車在線監測系統 無論汽車在何 種工況下行駛 系統都能快速的采集車速 電流 電壓信號 并經過相關的程序 將車速 汽車行駛里程 電流 電壓實時準確的顯示在人機界面 人機界 Human Computer Interface 簡寫 HCI 又稱用戶界面或使用者界面 是人與計算機之間 傳遞 交換信息的媒介和對話接口 是計算機系統的重要組成部分 11 通過該界面 可以實現對車速的實時精確的監測 1 6 本文章節安排本文章節安排 本文主要是對電動汽車在線監測系統進行研究設計 在介紹分析霍爾轉速傳感 器 施密特觸發器 三端穩壓器的工作原理和相關電路設計后 設計制作了與之相 關的各種電路 然后介紹了 USB2080 采集卡的工作原理 驅動程序和數據輸出方式 接著 深入學習 LavVIEW 的設計方法 并設計出基于 LavVIEW 的車速監測系統 最 后 安裝霍爾傳感器 連接調理電路 采集卡 在行駛工況下測量車速 采集實驗 數據 并對實驗數據進行分析 本文章節安排如下 第一章介紹課題的研究背景 國內外研究現狀 實驗設備 主要研究內容以及 設計所要達到的目標 第二章介紹霍爾轉速 電流 電壓傳感器的工作原理以及采樣電路的設計 第三章介紹采用施密特觸發器設計霍爾轉速傳感器的調理電路 以及利用 FilterLab 設計霍爾電流 電壓傳感器調理電路 第四章介紹 USB2080 采集卡的基本功能和驅動函數接口 第五章介紹 LabVIEW 的產生及發展 特點 開發環境和優勢 接著介紹了應用 LabVIEW 開發測速程序的方法 測速程序的實現方法和采用定理 并用實驗的方法 證明了程序的可行性 最后介紹應用 LabVIEW 開發測電流 電壓程序的方法 第一章 緒論 4 第六章對全文的研究內容進行了簡要的總結 并提出了改進方向 第二章 傳感器及其采樣電路 5 第二章第二章 傳感器及其采樣電路傳感器及其采樣電路 2 1 霍爾傳感器霍爾傳感器 2 1 1 霍爾效應霍爾效應 霍爾效應是磁電效應的一種 這一現象 是美國物理學家霍爾 A H Hall 1855 1938 于 1879 年在研究金屬的導電機構時發 現的 當電流垂直于外磁場通過導體時 在 導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之 間會出現電勢差 這一現象便是霍爾效應 這個電勢差也被叫做霍爾電勢差 12 圖 2 1 是霍爾效應的原理圖 2 1 2 霍爾傳感器及分類霍爾傳感器及分類 由于霍爾元件產生的電勢差很小 故通常將霍爾元件與放大器電路 溫度補償 電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上 稱之為霍爾傳感器 霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種 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 開關型霍爾傳感器由穩壓器 霍爾元件 差分放大器 施密特觸發器和輸出級組成 它輸出 數字量 2 1 3 霍爾傳感器的特性霍爾傳感器的特性 1 線性型霍爾傳感器的特性 圖 2 2 霍爾傳感器的線性特性 輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系 如圖 2 2 所示 可見 在 B1 B2 的磁 感應強度范圍內有較好的線性度 磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態 2 開關型霍爾傳感器的特性 如圖 2 3 所示 其中 Bop 為工作點 開 的磁感應強度 BRP 為釋放點 關 的磁感應強度 當外加的磁感應強度超過動作點 Bop 時 傳感器輸出低電平 當磁感應強度 降到動作點 Bop 以下時 傳感器輸出電平不變 一直要降到釋放點 Brp 時 傳感器 圖 2 1 霍爾效應 第二章 傳感器及其采樣電路 6 才由低電平躍變為高電平 Bop 與 Brp 之間的滯 后使開關動作更為可靠 13 2 2 霍爾轉速傳感器霍爾轉速傳感器 本設計采用的是開關型霍爾傳感器 開關型霍爾傳感器由穩壓器 霍爾元件 差分放大器 施密特觸發器和輸出級組成 它輸出數字量 2 2 1 開關型霍爾傳感器的結構開關型霍爾傳感器的結構 開關型霍爾傳感器由穩壓器 A 硅霍爾片 B 差分放大器 C 施密特觸發器 D 和 OC 門輸出 E 五部分組成 如圖 2 4 所示 從輸入端 1 輸入電壓 VCC 經穩壓器 A 穩 壓后加在硅霍爾片 B 的兩端 以提供 恒定不變的工作電流 在垂直于霍爾 片的感應面方向施加磁場 產生霍爾 電勢差 VH 該 VH 信號經差分放大器 C 放大后送至施密特觸發器 D 整形 當磁場達到 工作點 即 Bop 時 觸發器 D 輸出高電壓 相對于地電位 使三極管 E 導通 輸出端 Vo 輸出低電位 此狀 態稱為 開 當施加的磁場達到 釋放點 即 Brp 時 觸發器 D 輸出低電壓 使三 極管 E 截止 輸出端 Vo 輸出高電位 此狀態稱為 關 這樣 2 次高低電位變換 使 霍爾傳感器完成了 1 次開關動作 如圖 3 示 Bop Brp 稱為磁滯 在此差值內 輸出電 位 Vo 保持高電位或低電位不變 因而輸出穩定 可靠 14 2 2 2 開關型霍爾傳感器在測速上的應用開關型霍爾傳感器在測速上的應用 開關型霍爾傳感器主要用于測轉數 轉 速 風速 流速 接近開關 關門告知器 報 警器 自動控制電路等 如圖 2 5 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 圓盤旋轉一周 霍爾傳感器就輸出一個脈沖 從而可測出轉數 計數 器 若接入頻率計 便可測出轉速 如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律 圖 2 3 開關型霍爾傳感器的特性 圖 2 4 開關型霍爾傳感器的構 成 圖 2 5 開關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 當裝在運動車輛上的永磁體經過它時 可以從測量電路上測得脈 沖信號 根據脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度 13 2 2 3 采樣電路設計采樣電路設計 本設計采用的是常閉式開關型霍爾傳感器 該傳感器在沒有轉速即沒有外磁場 時信號端一地導通 當有轉速信號即旋轉 產生外磁場時 信號輸出端與地斷開 通 過上拉電阻 R 使信號端在開關閉合時輸出 低電平 0 開關斷開時輸出高電平 5V 傳感 器的電源電源為 5V 如圖 2 6 所示 為輸出信號采樣電路 圖 在該電路中 CC 5 4 7VVRK 電源上拉電阻 所以 當磁鋼隨著圓盤旋轉時 開關 型霍爾傳感器中的三極管 E 就會不斷 截止 導通 截止 導通 而信號 輸出端則輸出 5V 0V 5V 0V 的脈沖信號 2 2 4 實驗結果實驗結果 圖 2 7 霍爾轉速傳感器輸出的信號脈沖 圖 2 7 為采用圖 2 6 電路圖測量的霍爾傳感器的脈沖波形圖 從圖中可以開出 該脈沖的高電平為 5V 低電平為 0V 脈沖形狀為缺角的矩形 符合設計要求 圖 2 6 開關型霍爾傳感器的采樣電路 第二章 傳感器及其采樣電路 8 2 3 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 本設計采用的是宇波 CHB 200S 電流傳感器 該傳感器是采用霍爾磁補償的原理 工作的 2 3 1 工作原理工作原理 磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器 即原邊電流 Ip 在聚磁環處所產生的磁 場通過一個次級線圈電流所產生的磁場進行補償 其補償電流 Is 精確的反映原邊 電流 Ip 從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態 圖 2 8 霍爾電流傳感器工作原理 具體工作過程為 當主回路有一電流通過時 在導線上產生的磁場被磁環聚集 并感應到霍爾器件上 所產生的信號輸出用于驅動功率管并使其導通 從而獲得一 個補償電流 Is 這一電流再通過多匝繞組產生磁場 該磁場與被測電流產生的磁場 正好相反 因而補償了原來的磁場 使霍爾器件的輸出逐漸減小 當與 Ip 與匝數 相乘所產生的磁場相等時 Is 不再增加 這時的霍爾器件起到指示零磁通的作用 此時可以通過 Is 來測試 Ip 當 Ip 變化時 平衡受到破壞 霍爾器件有信號輸出 即重復上述過程重新達到平衡 被測電流的任何變化都會破壞這一平衡 一旦磁場 失去平衡 霍爾器件就有信號輸出 經功率放大后 立即就有相應的電流流過次級 繞組以對失衡的磁場進行補償 從磁場失衡到再次平衡 所需的時間理論上不到 1 s 這是一個動態平衡的過程 因此 從宏觀上看 次級的補償電流安匝數在任 何時間都與初級被測電流的安匝數相等 如圖 2 8 所示 為霍爾電流傳感器的工作 原理圖 15 第二章 傳感器及其采樣電路 9 2 3 2 基本性能參數基本性能參數 如表 2 1 所示 為 CHB 200S 電流傳感器的基本性能參數 表 2 1 CHB 200S 電流傳感器的基本性能參數 型號 CHB 200S N I額定電流 RMS 200A P I測量范圍0 300A M R測量電阻 min M R max M R C VV 在 200A 或 300A 時 0 在 200A 時 50 在 300A 時 2 5 C VV 在 200A 或 300A 時 20 在 200A 時 50 在 300A 時 20 M I測量電流 輸出電流 額定值為 100mA 對應原邊電流為 200A N K匝數比1 2000 C V 電源電壓 C V 5 VV f 頻率范圍 0 100kHz a T工作溫度 070CC 如表 2 1 可知 由于傳感器線圈的匝數比為 1 2000 所以當測量電流為 100mA 時 對應的原邊電流為 200A 2 3 3 采樣電路設計采樣電路設計 測量電壓的計算公式為 在實際過程中 電動汽車的起動時電流最大 約為 60A 取測量電阻 40 M R 則只要測量出電壓的值 便能得出原邊電流的值 其換算公式為 M V P I 2000 50 M PM V IV M R 2 1 2 2 2000 P MMM I VIR AA M R 第二章 傳感器及其采樣電路 10 圖 2 9 所示 電流傳感器的采樣電路連接圖 圖 2 9 電流傳感器的采樣電路連接圖 圖 2 10 霍爾電壓傳感器工作原理 2 4 霍爾電壓傳感器霍爾電壓傳感器 本設計采用的是宇波 CHV 25P 閉環電壓霍爾傳感器 該傳感器是采用霍爾磁補 償的原理工作的 2 4 1 工作原理工作原理 霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環式電流傳感器相似 也是以磁平衡方式工作 的 原邊電壓 VP 通過限流電阻 Ri 產生電流 流過原邊線圈產生磁場 聚集在磁環 內 通過磁環氣隙中霍爾元件輸出信號控制的補償電流 IS 流過副邊線圈產生的磁 場進行補償 其補償電流 IS 精確的反映原邊電壓 VP 如圖 2 10 所示 是電壓傳感 器的工作原理圖 2 4 2 基本性能參數基本性能參數 如表 2 2 所示 為 CHV 25P 電流傳感器的基本性能參數 第二章 傳感器及其采樣電路 11 表 2 2 CHV 25P 電流傳感器的基本性能參數 型號 CHB 200S N I額定電流10mA RMS P I測量范圍0 14m A M R測量電阻 min M R max M R 15 C VVV 在 10mA 或 14mA 時 0 在 10mA 時 350 在 300A 時 190 M I 測量電流 輸出電流 輸出額定值為 25mA 對應原邊電流為 10mA N K匝數比2500 1000 C V 電源電壓 C V 5 VV f 頻率范圍 0 100kHz a T工作溫度 070CC S R 副邊內阻 70 a TC 110 原邊內阻 70 a TC 250 2 4 3 采樣電路設計采樣電路設計 本設計所用的電動車為采用 6 個 8V 的蓄電池串聯供電 串聯電壓為 48V 由霍爾 電壓傳感器的工作原理可知 原邊電流 1 N N S V I RR 由于 取 則 250 S R 原邊內阻 1 4 7Rk 3 1 4 95 10 NN N S VV I RR 由于 則測量電流 2500 1000 MN II 3 2 5 2 5 4 95 10 N MN V II 由于測量電壓 取測量電阻 MMM VIR 200 M R 則 3 4 95 10 9 9 2 5 200 M NM V VV 2 3 2 4 2 5 第二章 傳感器及其采樣電路 12 所以 只要測量出電壓的值 就能求出電壓的值 其中 電壓由 USB 采 M V N V M V 集卡采集 如圖 2 11 所示 為電壓傳感器采樣電路連接圖 圖 2 11 電壓傳感器采樣電路連接圖 2 5 本章小結本章小結 本章首先介紹了霍爾效應和霍爾傳感器 并對霍爾傳感器進行簡單的分類 然 后分別介紹分別介紹了霍爾轉速傳感器 霍爾電力傳感器 霍爾電壓傳感器的工作 原理 基本性能參數和采樣電路的設計方法 在介紹完霍爾轉速傳感器采樣電路的 設計后 還對轉速傳感器的采樣電路進行測試 實驗結果表明 采樣電路的設計符 合要求 第三章 調理電路及直流穩壓電源 13 第三章第三章 調理電路及直流穩壓電源調理電路及直流穩壓電源 3 1 調理電路調理電路 信號調理 就是信號處理電路 把模擬信號變換為用于數據采集 控制過程 執行計算顯示讀出或其他目的的數字信號 模擬傳感器可測量很多物理量 如溫度 壓力 光強等 但由于傳感器信號不能直接轉換為數字數據 這是因為傳感器輸 出是相當小的電壓 電流或電阻變化 因此 在變換為數字信號之前必須進行調理 調理就是放大 緩沖或定標模擬信號等 使其適合于模 數轉換器 ADC 的輸入 然 后 ADC 對模擬信號進行數字化 并把數字信號送到 MCU 或其他數字器件 以便用 于系統的數據處理 16 3 2 霍爾轉速傳感器的調理電路霍爾轉速傳感器的調理電路 3 2 1 施密特觸發器施密特觸發器 施密特觸發器可以把不規則的輸人波形變成良好的矩形彼 圖 3 1 是它的輸人 輸出特性 由圖 3 1 可以看到 該電路有兩個穩態 一個穩態輸出高電平 另一個穩態 OH V 輸出低電平 但是這丙個穩態信號要靠輸人信號電平來維持 OL V 施密特觸發器的另一個特點是輸入輸出的回差特性 當輸入信號高于時 電 T V 路處于一個穩態 輸出高電平 人稱為上觸發電平或正向閾值電壓 當輸人信 OH V 號低于時 電路處于另一個穩態 輸出低電平 稱為下觸發電平或負向 T V OL V T V 閾值電壓 圖 3 1 密特觸發器輸入輸出特性 0 V0 Vi VOH OH VT VT VOL 第三章 調理電路及直流穩壓電源 14 3 2 2 集成施密特觸發器集成施密特觸發器 國產集成施密特觸發器有雙四輸入與非門 帶施密特觸發器 CT1013 CT4013 CT54 74F14 六反相器 帶施密特觸發器 CT1014 CT4014 CT54 74F14 等 其典型電路如圖 3 2 所示 圖 3 2 國產施密特觸發器 集成施密特觸發器的上觸發電平 大約在 1 7V 左右 下觸發電平大約在 T V T V 0 9V 左右 輸出高電平大約在 3 4V 左右 輸出低電平大約在 0 2V 左右 17 OH V OL V 3 2 3 HEF40106Bp 集成施密特觸發器集成施密特觸發器 1 基本特性 本設計采用的是型號為 HEF40106Bp 的集成施密特觸發 器 圖 3 3 管腳圖圖 3 4 管腳功能圖 第三章 調理電路及直流穩壓電源 15 如圖 3 3 所示 為芯片的管腳圖 如圖 3 4 所示 為芯片的管腳功能圖 HEF40106Bp 在 0V 時的直流特性如表 3 1 所示 SS V25 amb T 表 3 1 直流特性 V DD V符號最小 V 典型 V 最大 V 回差電壓 5 10 15 H V 0 5 0 7 0 9 0 8 1 3 1 8 正向閾值電壓 5 10 15 P V 2 3 7 4 9 3 0 5 8 8 3 3 5 7 11 負向閾值電壓 5 10 15 N V 1 5 3 4 2 2 4 5 6 5 3 6 3 11 圖 3 5 表示的是 HEF40106Bp 的輸入輸出特性 本設計 如直流特性表查的 5 DD VV 正向閾值電壓的典型值為 3 0V 負向閾值電壓的典型值為 2 2V 回差電壓的 p V N V 典型值 pHN VVV 圖 3 5 輸入輸出特性 2 高阻抗驅動電路 圖 3 6 表示的是施密特觸發器通過高阻抗驅動的電路圖 如圖 3 6 所示 電容 C 寄生電容 電源 地端 回差電壓應滿足 P C DD V SS V H V 否則 在脈沖的邊緣將會發生振蕩 其中 寄生電容與電路板的布置有關 一般 P C 很小 由于 5V 0 0 8V 取 此時 RC 構成 DD V SS V H V0 1CF 4 7RK 一個低通濾波器 把高頻的噪聲旁路掉 該濾波器的截止頻率為 3 1 DDSS PH VVC CV 第三章 調理電路及直流穩壓電源 16 其中 是霍爾傳感器輸出信號的最大頻率 max f 圖 3 6 通過高阻抗的驅動電路 3 2 4 實驗結果實驗結果 將上述的驅動電路連同 HEF40106Bp 芯片焊接在一個電路板上 接 5V 電源 DD V 接地 把從霍爾傳感器輸出的信號接到口上 口接示波器 實驗的結果如 SS V 1 I 1 O 圖 3 7 所示 與圖 2 7 比較可知 經過施密特觸發器的整形 輸出信號變成標準的 矩形脈沖 達到了預期的結果 符合要求 圖 3 7 經過施密特觸發器整形的脈沖 3 3 霍爾電流 電壓傳感器的調理電路霍爾電流 電壓傳感器的調理電路 霍爾電流 電壓傳感器的輸出信號為直流電壓信號 但由于信號微弱并且在 傳輸過程中中受到高頻噪聲的影響 所以為了使采集卡能夠采集到正確的信號 需 對輸出信號進行調理 3 2 3 max 11 f102127 z f 4 7 0 1 H RC 第三章 調理電路及直流穩壓電源 17 本文采用 FilterLab 設計電流 電壓傳感器的調理電路 考慮到電流 電壓 信號均為直流信號 而且都采用 USB2080 采集卡對其信號進行采集 所以其調理電 路的各設計參數相同 USB2080 的采用頻率 138Hz 到 400KHz 在滿足采樣定理的前 提下 設置調理電路的截止頻率為 4000Hz 采用巴特沃斯響應 設計三階低通濾波 器 其響應圖和電路圖如圖 3 8 3 9 所示 圖 19 表示濾波器的響應特性 圖 20 表示濾波器的電路圖 19 21 圖 3 8 濾波器的響應特性 圖 3 9 濾波器電路圖 3 4 直流穩壓電源直流穩壓電源 由于霍爾傳感器和施密特觸發器的電源均為 5V 霍爾電流 電壓傳感器的電 源為 15V 15V 為滿足實驗要求 專門制作了一個直流穩壓電源 采用固定輸出的 三端集成穩壓器 L7805 L7915 L7815 制作而成 集成穩壓器是把功率調整管 取樣電路以及基準穩壓源 誤差放大器 啟動 和保護電路等集成在一塊芯片上 形成的一種串聯型集成穩壓電路 常見的集成穩 壓器引出三個腳 它的輸出電壓有可調和固定兩種形式 固定式輸出電壓為標準值 第三章 調理電路及直流穩壓電源 18 使用時不能再調節 可調式可通過外接元件 在較大范圍內調節輸出電壓 此外 還有輸出正電壓和輸出負電壓的三端集成穩壓器 三端集成穩壓器的型號有多種 常用的輸出為固定正電壓的型號有 W78XX 系 列 輸出為固定負電壓的型號為 W79XX 系列 輸出為可調正電壓的型號有 W317 系 列 輸出為可調負電壓的型號有 W337 系列 3 5 1 固定輸出的三端集成穩壓器固定輸出的三端集成穩壓器 固定輸出的三端集成穩壓器的三端指輸入端 1 腳 輸出腳 2 腳 及公共 端 3 腳 三個引出端 固定輸出的三端集成穩壓器 W78XX 系列和 W79XX 系列各有 7 個品種 輸出電壓分別為 5V 6V 9V 12V 15V 18V 25V 最 大輸出電路可達 1 5A 公共輸出端的靜態電流為 8mA 型號后兩位數字 XX 為輸 出電壓值 例如 W781 表示輸出電壓 15V 在根據穩定電壓值選擇穩壓器的型號 0 U 時 要求經整流濾波后的電壓要高于三端穩壓器的輸出電壓 2V 3V 輸出負電壓要 低于 2V 3V 但不宜過大 因為輸入與輸出電壓之差等于加在調整管上的 如 CE U 果過小 調整管容易工作在飽和區 降低穩壓效果 甚至失去穩壓作用 若過大 則功耗過大 3 5 2 輸出為輸出為 5V 的穩壓電路的穩壓電路 固定輸出的三端集成穩壓器的基本應用電路如圖 3 10 所示 圖 3 10 中用 1 C 以抑制過電壓 抵消因輸入線過長產生的電感效應并消除自激振蕩 用以改善負 0 C 載的瞬態響應 即瞬時增減負載電流時不至于引起輸出電壓有較大的波動 1 C 一般選為滌綸電容 容量為至幾個 安裝時 兩電容應直接與三端穩 0 C0 1 F F 壓器的引腳根部相連 22 本設計中 選用 L7805 三端集成穩壓器 采用 9V 1 0 33CF 0 0 1CF 的干電池提供電源 按圖 22 焊接電路 電路板焊接圖以及實測的穩壓結果如圖 3 11 所示 圖 3 10 穩壓電路圖 W7800 C1C0 12 3U1U0 第三章 調理電路及直流穩壓電源 19 圖 3 11 5V 穩壓電路 圖 3 12 15V 穩壓電路 圖 3 13 15V 穩壓電路 3 5 3 輸出為輸出為 15V 15V 的穩壓電路的穩壓電路 輸出為 15V 15V 的穩壓電路的設計方法與輸出為 5V 穩壓電路的設計方法相 同 本設計中 選用 L7815 L7915 三端集成穩壓器 采用兩個 9V 的干電池提供電源 按圖 22 焊接電路 電 1 0 33CF 0 0 1CF 路板焊接圖以及實測的穩壓結果如圖 3 12 3 13 所示 圖 3 12 是輸出為 15V 的穩 壓電路 圖 3 13 是輸出為 15V 的穩壓電路 3 6 本章小結本章小結 本章首先介紹了調理電路的作用 然后介紹了霍爾轉速傳感器的調理電路設計 方法 其中介紹了施密特觸發器和集成施密特觸發器 并對調理電路進行實際測試 接著介紹了霍爾電流 電壓傳感器的調理電路的方法 最后補充介紹了利用集成三 端穩壓器制作的直流穩壓電源的方法 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 卡是一種基于 USB 總線的數據采集卡 可直接與計算機的 USB 接口 連接 構成實驗室 產品質量監測中心等各種領域的數據采集 波形分析和處理系 統 也可構成工業生產過程的監控系統 它的主要應用場合為 1 電子產品質量檢測 2 信號采集 3 過程控制 4 伺服控制 4 1 1 基本功能基本功能 USB2080 采集卡的適用各種領域的數據采集 功能多 下面就把本實驗所涉 及到的功能分條一簡要介紹 1 轉換器 AD7899 1 兼容 AD7899 2 采用該轉換器時輸入量程范圍 為 5V 10V 2 輸入量程 10V 在 AD 模擬量輸入跳線中設置 3 轉換精度 14 位 把 10V 到 10V 的數按相同的間隔以二進制的方式 存儲在 14 位的存儲器中 4 采樣頻率 138Hz 到 400KHz 在驅動程序中設定為 5000Hz 到 60KHz 范圍內的可自動改變 5 AD 采集方式 連續采集 6 物理通道數 32 通道 單端 7 采樣通道數 在驅動程序中設定為一個通道 0 通道 8 模擬量輸入方式 單端模擬輸入 9 模擬輸入阻抗 100 M 10 通道卻換方式 首末通道順序卻換 11 觸發方式 軟件內觸發 12 觸發類型 邊沿觸發 13 觸發方向 負向觸發 第四章 USB2080 采集卡 21 4 1 2 數據格式及換算關系數據格式及換算關系 本設計采用的是輸入量程為 10V 的雙極性的輸入 AD 雙極性模擬量輸入的數 據格式采用補碼的形式 如表 4 1 所示 表 4 1 數據格式及換算關系 輸入AD 原始碼 二進制 AD 原始碼 十六進制 求補后的碼 十進制 正滿度01 1111 11111FFF16383 正滿度 1LSB01 1111 11101FFE16382 中間值 1LSB00 0000 000100018193 中間值 零點 00 0000 000000008192 中間值 1LSB11 1111 11113FFF8191 負滿度 1LSB10 0000 000110011 負滿度10 0000 000010000 假設從設備中讀取 AD 端口的數據保存在 ADBuffer 中 設電壓值為 Volt 那么 量程的轉換公式為 20000 00 16384uffer 0 2000 當車速降低時 采樣頻率要隨著車速的降 低而減少 當被采信號的頻率減到 100Hz 時 采樣頻率要降到 51200Hz 另外 在一個 For 循環內 采集到的脈沖個數也不能太多 采樣頻率越低 采 集到的脈沖個數就越高 因此應該相應的提高采樣頻率 一般規定 采樣頻率應為 圖 5 11 變頻 1 被采樣信號最高頻率的 5 倍以上 此處取最低采樣頻率為 5000Hz 5000 215 5 滿 足要求 一個 For 循環中有 8192 個數 設定最多檢測到 300 個脈沖 即 8192 300 27 個被采樣數就檢測到一個脈沖 此時 采樣頻率是信號最高頻率的 27 倍 滿足 要求 利用這是方法 使采樣頻率會隨著車速的變化而變化 使采樣頻率始終工作在 最佳的工作點 實現了采樣頻率對車速的自動跟蹤 圖 5 11 5 12 即為該方法的程序實現方法 圖 5 12 變頻 2 5 2 6 實驗驗證實驗驗證 安裝好霍爾傳感器 把霍爾傳感器的輸出信號經施密特觸發器的整形 然后送 到 USB 采集卡的輸入引腳 19 經采集卡的 AD 轉換 送到 LabVIEW 的測速程序 第五章 基于 LabVIEW 開發的在線監測系統 36 圖 5 13 測速儀表指示 1 最后通過控制界面顯示出來 如圖 5 13 5 14 所示 為在某一車速下采集到 的電機轉速和車速 圖 5 14 測速儀表指示 2 5 3 LabVIEW 的測電流 電壓程序設計的測電流 電壓程序設計 5 3 1 LabVIEW 的測電流程序設計的測電流程序設計 霍爾電流傳感器輸出的信號首先經過調理電路 然后被采集卡采集進行 A D 轉 換 最后輸入到 LabVIEW 程序中顯示出來 由 2 3 3 節可知 只需將采集卡采集到 的每一個數字量乘以系數 50 便能得到原邊電流 Ip 的值 如圖 5 15 所示 為電動車 在某一行駛工況下電流傳感器測得的電流 圖 5 15 某一工況下蓄電池電流 第五