用数字集成电路设计的里程表

用数字集成电路设计的里程表

0 引言
    随着数字技术的不断发展，数字集成电路在各个领域的应用越来越广泛。本文介绍一种用数字集成电路、霍尔集成电路设计的里程表。该里程表具有电路结构简单、计量精度高、工作稳定可靠、改变设计量程方便、成本低等特点。我们曾将该里程表安装于某电动车上测试，取得了满意的效果。

1 工作原理
    里程表的工作原理框图如图1所示。霍尔集成电路完成从非电量到电量的转换，将车轮转动信号转换为电信号。此信号幅值较小，经过比较器使其变成幅值较大的脉冲信号。该脉冲信号由施密特触发器整形后送给计数器计数。计数器输出的8421BCD码经译码器译码后驱动LED显示器显示出计量结果。根据该框图设计的里程表电路如图1所示。

2 主要单元电路的设计
2．1 霍尔集成电路传感器
    传感器是里程表的重要部件，它的性能对整机电路的工作起着极其重要的作用。这里我们选用CS3120开关型霍尔集成电路。这种集成电路具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、输出电阻小、功耗低、灵敏度高、温度特性好等特点。电路内部由霍尔元件、电压调整器、差分放大器、输出级等组成，采用塑料封装成三端器件，其功能图如图2所示。

 稳压部分使电路能在较宽的电源电压范围内工作，开路输出使电路很容易地与众多的逻辑部件连接。图3是这种开关型霍尔集成电路的转移特性曲线。由图3看出，当外加磁场强度B 上升到导通点BOP时，霍尔开关输出由高电平降为低电平；当B由大变小降至BRP时，输出再由低电平跳变为高电平。

    实际应用时将霍尔传感器做成如图4所示的结构。铁杆与磁钢粘牢后固定于车轮的适当位置。霍尔集成电路固定在车架上，与磁钢的垂直距离为2 mm～3 mm。这样，车轮每旋转一周，磁钢产生的磁场掠过霍尔集成电路一次使其输出一个负脉冲。计数器对该脉冲进行计数，则：里程＝车轮周长×脉冲数。

    霍尔集成电路的工作电压以5～6 V为宜，过高的电源电压会引起电路因温升而不稳。图5整机电路中R54为降压电阻，将12 V电源电压降至6 V给霍尔集成电路供电。C2是滤波电容。R1为霍尔集成电路的负载电阻，没有这个电阻，输出电压的变化甚小。
    应注意的是霍尔集成电路有字标平面为敏感面，要使磁力线垂直穿过敏感面。另外，如发现不能触发，应调换磁钢极性使电路工作正常。
    霍尔集成电路CS3120输出的脉冲幅度较小，不能直接推动计数器工作，故在电路中将该信号送给由IC1和Rw组成的比较器。每当负脉冲到来时，由于IC1反相端的电位低于同相端的电位，故比较器输出一个幅值较大的正脉冲。
2．2 施密特触发器
    运算放大器IC2以及R2～R6构成反相输出的施密特触发器。它对比较器输出的脉冲信号进行整形。IC2工作在开关状态，具有十分短的前后沿时间。阈电平主要由R3和R4决定。R5上的电压降提供小量的正反馈以便产生所需要的滞后，并防止电路振荡。
2．3 计数器
    十二级二进制计数器CD4040以及四输入端二与非门CD4012构成任意进制计数器。因为车轮的周长不是10的整数倍，所以用十进制计数器计数，最后显示的只能是车轮转动的圈数，而不是具体的公里数，设计任意进制计数器就是为了解决这一问题。

 笔者实测某车轮的周长为1．834米，则在100米内，车轮转动54圈。据此，将任意进制计数器设计成54进制。由图5知，当CD4040输人54个脉冲后，其Q12～Q1十二个输出中，Q6、Q5、Q3，Q2为高电平，该高电平信号经与非门G1后输出低电平，再经与非门G2反相变为高电平加至 CD4040的Cr复位端使其复位，从而实现54进制计数。同时，第54个脉冲过后，Q6下跳信号加至十进制计数器CD4518(1)的CP端(K3处于图示位置)，使其加1。可见，十进制计数器的最低位每输入一个脉冲，表示车前进了100米，即0．1公里。其余十进制计数器记录的依次为里程的个位～万位。

2．4 其它电路
    K1是双刀双掷开关，用于显示器工作状态选择。置于“公里”一边，LED2的小数点因K1-2闭合得电而显示，显示器显示的是公里数；置于“转数”一边因K1-2断路小数点失电不再显示，且由于十进制计数器直接接收脉冲信号，显示器显示车轮旋转圈数。
    译码电路CD4511能直接推动LED数码管工作。它的BI灭灯控制端，低电平有效。该控制端通过开关K2接至+12 V电源上。平时BI为低电平处于灭灯状态，数码管不显示以节省电能；当按下K2时，数码管工作显示里程或车轮旋转圈数。当然，也可去掉K2，将BI与+ 12 V短接，则数码管始终处于工作状态。LT、LE是它的试灯控制与锁定允许输入端，均已接无效电平。
    C1、R52以及IC3等构成上电复位电路，这里IC3被用作反相器。上电时+12 V的高电平通过C1加至六个十进制计数器的Cr端使它们复位；同时这个复位信号经IC3、G2后又加至CD4040的Cr端使它也复位。复位开关K3按下时的工作过程与此相同。
    电路需要+12 V电源，可用车上的蓄电池供电。如果蓄电池电压超过12 V，应通过稳压电路供电，例如用三端稳压块7812或LM317等进行稳压。

3 结束语
    电路只有一个参数需要调试，通过调整Rw改变IC1同相端的电压。应保证在霍尔集成电路H与磁钢距离最近时，该端电压高于其反相端(即霍尔集成电路输出端)的电压；霍尔集成电路远离磁钢时，该端电压低于其反相端的电压。由于100米不可能恰好等于车轮周长的整数倍，故计量结果会产生误差，其误差的大小与车轮实际尺寸有关。对于1．834米周长的车轮。误差为1％。当K1置于“转数”一边时，显示器显示的结果再乘以车轮周长可得到误差更小的结果。如果相应地增加CD4518和LED数码管的数量，可扩大量程。

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