用數字集成電路設計的里程表

　　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。