电动自行车调速系统的设计.doc

第一章 引言
电动车发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。日后，由于燃油汽车技术迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程研制上长期未能获得突破，从20世纪代初至60年代末，电动车发展进入了一种沉寂期。进入70年代以来，由于中东石油危机爆发以及人类对自然环境日益关注，电动车才再度成为技术发展热点。
近几十年来，重要工业化国家为电动车开发投入了大量人力和财力，电动车各项有关技术也获得了重大进展。尽管电动车在能源和行驶里程研制方面，至今尚未获得突破性进展，但是电动车美好前景依然勉励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改进其性能
处在世纪之交今天，能源和环境对人类压力越来越大，规定尽快改进人类生存环境呼声越来越高。为了适应这个发展趋势，世界各国政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发投资力度，加快电动车商品化步伐。虽然当前电动车在能源和行驶里程方面尚未能尽如人意，但已足以满足人们基本需要。从技术发展角度来看，在走过了漫长而艰难发展历程之后，电动车正面临着重大技术突破，有望成为21世纪重要交通工具。   
  　当代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等各种高新技术综合产品。整体运营性能、经济性等一方面取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车电机驱动系统普通由4个重要某些构成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。当前电动车中使用电动机普通有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。

第二章 系统规定
2. 1  电动车对电动机基本规定
电动车运营，与普通工业应用不同，非常复杂。因而，对驱动系统规定是很高。 
2.1.1  电动车用电动机应具备瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(3～4)，加速性能好，使用寿命长特点。 
2.1.2　电动车用电动机应具备辽阔调速范畴，涉及恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，规定低速运营时具备大转矩，以满足起动和爬坡规定；在恒功率区，规定低转矩时具备高速度，以满足车在平坦路面可以高速行驶规定。
2.1.3　电动车用电动机应可以在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具备最佳能量运用率，这在内燃机摩托车上是不能实现。   
2.1.4　电动车用电动机应在整个运营范畴内，具备高效率，以提高1次充电续驶里程。   
此外还规定电动车用电动机可靠性好，可以在较恶劣环境下长期工作，构造简朴适应大批量生产，运营时噪声低，使用维修以便，价格便宜等。   
2.2 鉴于电动车对电动机基本规定采用永磁无刷直流电动机 。  
2.2.1永磁无刷直流电动机基本性能 。 　
永磁无刷直流电动机是一种高性能电动机。它最大特点就是具备直流电动机外特性而没有刷构成机械接触构造。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热电枢绕组又装在外面定子上，散热容易，因而，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运营可靠，维修简便。此外，它转速不受机械换向限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运营。永磁无刷直流电动机机系统相比具备更高能量密度和更高效率，在电动车中有着较好应用前景。 
2.2.2 永磁无刷直流电动机控制系统 。
典型永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运营在恒转矩区域，普通采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完毕。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中磁链。   
2.2.3永磁无刷直流电动机局限性 。 
永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺影响和限制，使得永磁无刷直流电动机功率范畴较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能也许会下降或发生退磁现象，将减少永磁电动机性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必要严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机驱动系统造价很高。

第三章 总体规划
对于电动自行车控制系统设计重要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器选取以及安放设计；三、显示电路设计；四、程序设计。从总方面来考虑，传感器使用应当尽量减少单片机信号解决量，但是又必要能使车行驶自如。控制电路要依照选用电机和传感器来设计，重要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图3-1所示

直流电动机
单片机
显示某些
转速传感器
控制电路
驱动

图 3-1
电动自行车基本原理是：由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车。

第四章 电路设计
控制电路重要有电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个某些。考虑到电机起动电流和制动时比较大，会导致电源电压不稳定容易对单片机和传感器工作产生干扰，因此，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。传感器电源直接使用24V蓄电池，单片机电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V。
4．1 电源电路
24V直流电源经三端稳牙器74L05输出即为单片机所规定+5V电源。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入高频干扰。大容量C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一种放电通路，防止C3两端电压作用于调节管be结，导致调节管be结击穿而损坏。

图4-1-1

4．2 显示电路
显示某些采用单片机串口通讯，以节约单片机端口，单片机通过中断方式为显示服务。直流电动机额定转速为190转每分大概需要三位数码显示。驱动器采用74LS164串接510欧限流电阻。《见图4-2-1》
4．3 控制电路
打开系统电源后由电位器控制电动机转速，IN0-IN6线上那一路模仿电压被转换成数字量由ADDA-ADDC线上地址决定。ADDC0809内部“地址锁存与译码”电路便能把IN0线上模仿电压送入8位A/D转换器此时，若单片机使STAR线处在高电平，则ADC0809便开始A/D转换，一旦A/D转换完毕，ADC0809一方面把A/D转换后数字量送入它三态输出缓冲器另一方面又使EOC线变为高电平向单片机提出中断祈求。单片机检测和响应当中断祈求后就通过使rd非变为低电平而使OE线变高，以便可以从2-1-2-8引线上取走A/D转换后数字量。单片机依照 A/D转换后数字量输出相应巨型脉冲信号。脉冲信号经74LS245放大后经光电藕荷控制继电器。《见附图4-3-1》。
4．4驱动电路及原理
下面重要对驱动电路进行一下简介：
电动自行车使用24V直流电机， 对于这种小功率直流电机调速办法普通有两种。
一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器输出控制直流电机。线性型驱动电路构造和原理简朴，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运营时，通过电阻R电流大，发热厉害，损耗大。
另一种脉宽调制型：脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION——PWM）较惯用一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调节平滑、调速范畴广、过载能力大，能承受频繁负载冲击，还可以实现频繁无级迅速启动、制动和反转等长处。因而决定采用PWM方式控制直流电机。永磁式直流电机脉宽调速原理 永磁式直流电动机电机转速由电枢电压UD决定，电枢电UD越高电机转速越快，电枢电压UD降为0V，电机就停转。直流电机详细调速过程是：先让它启动一段时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。在转速降到一定限度时使电动机再次接通电动机因而而再次加速。不断给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号） 就可以使电动机转速控制在指定范畴内。如图4-4-1所示：

脉冲信号： t
T
转速： VMAX
VD
VMIN

图 4-4-1
VMAX为电动机最大转速值。VMIN为电动机最小转速值。VD为两者平均值。VD=D * VMAX 式中D=t/T称为占空比 D越大VD就越大反之亦然。平均转速和电枢上脉冲占空比D之间关系如4-4-2图：
VD（平均速度）

0 0.5 1 D（占空比）
图 4-4-2
由图可知，平均转速与占空比并非完全线性关系，但可以近似当作是线性关系。因而电动机平均转速VD就可以有占空比D加以控制。
PWM调速分为双向式和单向式两种
双向式：在一种脉冲周期内(T=Ta＋Tb)，T1和T3导通时间为Ta，T2和T4导通时间为Tb，这样在Ta这段时间内，电机通过是正向电流，在Tb这段时间内为反相电流。当Ta=Tb时电机停转，Ta>Tb时电机正转， Ta <Tb时电机反转。
单向式：单向式电路更双向式相似。不同是，在电机正转时，Tb这段时间内不通过反向电流，电机反转时，Ta内不通过正向电流。其调速原理基本与双向式相似。单向式与双向式相比，三极管开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而导致电源短路状况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。外特性、低速性能也不如双向式好。

图 4-4-5
如上图4-4-5左所示为双向式调速方式下速度与占空比关系曲线，图3-1-5右为单向式调速方式曲线。
综合以上两种方式优缺陷，并考虑到电动自行车对调速精度规定不太高，以及省电，器件损耗等各方面因素，决定采用单向式PWM。考虑到编程时也许会产生使T1、T2、T3、T4都导通状况，以至电源短路，烧毁器件。为避免浮现这种状况，设计了图4-4-6所示电路

图 4-4-6
此电路只用一种三极管控制电路通断，用四个继电器控制电流流向，从而控制电机转向。这样无论如何，都不会浮现因编程因素而导致电源短路状况。
由于采用单片机控制电机，如果单片机电源采用与电机同一电源，虽然通过稳压、滤波，但是单片机依然容易受到电机以及继电器干扰，为了避免干扰，采用光电隔离，单片机和电机采用两套电源。4N26光耦普通需要2mA以上驱动电流，由于单片机输出电流只有几百微安，故需要先接74LS245或者接一种三极管增长驱动能力（74LS245高电平驱动能力为15mA）。光耦输出再接给达林顿管，考虑到电机短路电流有2A，故选用TIP132型号达林顿管（容许通过最大瞬时电流为8A）。此外在达林顿管C极和电源正极之间接一种耐流为2A二极管，这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样停车时车不至于由于惯性滑行太远而挥霍能源。因而时以关断了电源，要将电动车停下来而采用无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。
考虑到电动自行车对电机转速，距离控制规定不高，为了简化程序和外接电路，因此没有考虑采用闭环PWM控制，用开环PWM控制就可以实现自行车功能。
脉冲信号 Ta

Tb

工作时Ta为高电平，通过光耦驱动复合管T导通，此时Tb为高电平通过光耦使三极管导通，继电器各线圈被短路。K1、K3为长闭触点，因此电动机加正向电压。当Tb为底电平时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点打开，K1、K3 断开K2、K4导通。电动机加反向电压。如果保证Ta>Tb则电动机正转。通过变化Ta 、Tb占空比即可变化转速。
4.5总电路图
《见附图4-5-1》

第五章 重要器件性能及原理
电动车性能指标普通涉及：驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能三部份，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池容量，驾驶性能指标重要涉及：加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等驾驶模式，驾驶性能指标优劣取决于控制系统驾驶模式技术
5．1 MCS-51单片机内部构造
 8051是MCS-51系列单片机典型产品，咱们以这一代表性机型进行系统解说。 8051单片机包括中央解决器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定期/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，当前咱们分别加以阐明：
5.1.1中央解决器
中央解决器(CPU)是整个单片机核心部件，是8位数据宽度解决器，能解决8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调工作，完毕运算和控制输入输出功能等操作。
5.1.2 数据存储器(RAM)
8051内部有128个8位顾客数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址，专用寄存器只能用于存储控制指令数据，顾客只能访问，而不能用于存储顾客数据，因此，顾客能使用RAM只有128个，可存储读写数据，运算中间成果或顾客定义字型表。
5.1.3 程序存储器(ROM)
8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存储顾客程序，原始数据或表格。
5.1.4  定期/计数器(ROM)
8051有两个16位可编程定期/计数器，以实现定期或计数产生中断用于控制程序转向。
5.1.5并行输入输出(I/O)口
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据传播。
5.1.6 全双工串行口  
8051内置一种全双工串行通信口，用于与其他设备间串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
 5.1.7中断系统
 8051具备较完善中断功能，有两个外中断、两个定期/计数器中断和一种串行中断，可满足不同控制规定，并具备2级优先级别选取。
 5.1.8时钟电路  
8051内置最高频率达12MHz时钟电路，用于产生整个单片机运营脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机构造有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开形式，即哈佛(Harvard)构造，另一种是采用通用计算机广泛使用程序存储器与数据存储器合二为一构造，即普林斯顿(Princeton)构造。INTELMCS-51系列单片机采用是哈佛构造形式，而后续产品16位MCS-96系列单片机则采用普林斯顿构造。
    下图是MCS-51系列单片机内部构造示意图。

5.1.9MCS-51引脚阐明
MCS-51系列单片机中8031、8051及8751均采用40Pin封装双列直接DIP构造，右图是它们引脚配备，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。当前咱们对这些引脚功能加以阐明：
·Pin20:接地脚。
·Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。
·Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路输出端。
8051时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容值普通取10p-30p。此外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。MCS-51系列单片机中8031、8051及8751均采用40Pin封装双列直接DIP构造，右图是它们引脚配备，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线 与P3口线复用。当前咱们对这些引脚功能加以阐明：
·Pin20:接地脚。
 ·Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。
 ·Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路输入端。
  ·Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路输出端。
     8051时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容值普通取10p-30p。此外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
·输入输出(I/O)引脚：
     Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，这些输入输出脚功能阐明将在如下内容阐述。
·Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上浮现24个时钟周期以上高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口所有为高电平，堆栈指钟写入07H，其他专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不变化RAM（涉及工作寄存器R0-R7）状态，8051初始态如下表：
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
DPH
00H
TH0
00H
8051复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM数据不丢失。

5. 2 A/D转换芯片
　ADC0809芯片是最惯用8位模数转换器。 它模数转换原理采用逐次逼进型，芯片由单个＋5V电源供电，可以分时对8路输入模仿量进行A／D转换，典型A／D转换时间为100微妙左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器辨别率、转换速度和价位都属于居中位置。
内部逻辑构造，如图5-2-1所示。

图 5-2-1 ADC0809内部构造
引脚功能阐明：
·D7～D0：8位数字量输出，A／D转换成果。
·IN0～IN7：8路模仿电量输入，可以是：0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。
·+VREF：正极性参照电源。
·－VREF：负极性参照电源。
·START：启动A／D转换控制输入，高电平有效。
·CLK：外部输入工作时钟，典型频率为500KHz。
·ALE：地址锁存控制输入，高电平启动接受3位地址码，低电平锁存地址。
·CBA：3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模仿量IN0～IN7之一进行模数转换。C是高位地址，A是最低位地址。
·OE：数字量输出使能控制，输入高有效，输出A／D转换成果D7～D0。
·EOC：模数转换状态输出。当模数转换未完毕时，EOC输出低电平；当模数转换完毕时，EOC输出高电平。EOC输出信号可以作为中断祈求或者查询控制。
·Vcc：芯片工作电源＋5V。
·GND：芯片接地端。

5．3 永磁无刷直流电动机
5.3.1 稀土永磁无刷直流电动机基本工作原理   
无刷直流电动机由电动机主体和驱动器构成，是一种典型机电一体化产品。动机定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机转子上粘有已充磁永磁体，为了检测电动机转子极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机启动、停止、制动信号，以控制电动机启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管通断，产生持续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调节转速；提供保护和显示等等。
无刷直流电动机原理简图如图5-3-1所示

图 5-3-1
：

主电路是一种典型电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波对称交变矩形波。
永磁体N-S交替互换，使位置传感器产生相位差120°U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件解决产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次变化一种状态，定子绕组产生磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相称于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按商定产生一组新编码，新编码又变化了功率管导通组合，使定子绕组产生磁场轴再迈进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生持续转矩，拖动负载作持续旋转。正由于无刷直流电动机换向是自身产生，而不是由逆变器强制换向，因此也称作自控式同步电动机。
无刷直流电动机位置传感器编码使通电两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，因此无论转子起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大启动转矩，因而转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和状况下，产生平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是她励直流电动机电流-转矩特性。
电动机转矩正比于绕组平均电流：
Tm=KtIav （N·m）
电动机两相绕组反电势差正比于电动机角速度：
ELL=Keω （V）
因此电动机绕组中平均电流为：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）
其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机电磁转矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是电动机构造常数，ω为电动机角速度（rad/s），因此，在一定ω时，变化占空比δ，就可以线性地变化电动机电磁转矩，得到与她励直流电动机电枢电压控制相似控制特性和机械特性。
无刷直流电动机转速设定，取决于速度指令Vc高低，如果速度指令最大值为+5V相应最高转速：Vc（max）ón max，那么，+5V如下任何电平即相应相称转速n，这就实现了变速设定。
当Vc设定后来，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在容许电压波动范畴内，在容许过载能力如下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实当前调速范畴内恒转矩运营。
由于无刷直流电动机励磁来源于永磁体，因此不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，因此效率比同容量异步电动机高10%左右，普通来说，无刷直流电动机力能指针（ηcosθ）比同容量三相异步电动机高12%-20%。电动机采用无锡市日驰电机有限公司生产永磁无刷直流电动机

型号
额定电压（V）
额定转速（r/min)
额定功率（W）
效率（%）
SWX006
24
190
140
>74

5．4 三端式稳压器78L05三端式稳压器78L05工作原理

图 5-4-1
电路如图5-4-1所示，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调节电路和保护电路等某些构成。下面对各某些电路作简朴简介。
5.4.1启动电路
在集成稳压器中，经常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因而，必要用启动电路给恒流源BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1构成。当输入电压V1高于稳压管DZ1稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同步恒流源T4、T5也工作。T4集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同步，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路联系，从而保证T2左边浮现纹波与噪声不致影响基准电压源。
5.4.2基准电压电路
基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2构成，电路中基准电压为

式中VZ2为DZ2稳定电压，VBE为T3、D1、D2发射结（D1、D2为由发射构导致二极管）正向电压值。在电路设计和工艺上使具备正温度系数R1、R2、DZ2与具备负温度系数T3、D1、D2发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同步，对稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动影响。
5.4.3取样比较放大电路和调节电路。
这某些电路由T4～T11构成，其中T10、T11构成复合调节管；R12、R13构成取样电路；T7、T8和T6构成带恒流源差分式放大电路；T4、T5构成电流源作为它有源负载。T9、R9作用阐明如下：如果没有T9、R9，恒流源管T5电流IC5=IC8+IB10，当调节管满载时IB10最大，而IC8最小；而当负载开路时IO=0，IB10也趋于零，这时IC5几乎所有流入T8，使得IC8变化范畴大，这对比较放大电路来说是不容许，为此接入由T9、R9级成缓冲电路。当IO减小时，IB10减小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V时，则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8过多承担使IC8变化范畴缩小。
5.4.4减流式保护电路
减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4构成，R11为检流电阻。保护目重要是使调节管（重要是T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它功耗不超过额定值PCM。一方面考虑一种简朴状况。假设图1中DZ3、DZ4和R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PC<PCM并且输出电流IO在额定值以内，流过R11电流使 =IOR11<0.6V，T12截止。当输出电流急剧增长，例如输出端短路时，输出电流超过极限值（IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）时，即当 >0.6V时，使T12管导通。由于它分流作用，减小了T10基极电流，从而限制了输出电流。这种简朴限流保护电路局限性之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调节管耗散功率PCM=ICVCE，只有既考虑通过它电流和它管压降VCE值，又使PC<PCM，才干全面地进行保护。图1中DZ3、DZ4和R14、R15所构成支路就是为实现上述保护目而设立。电路中如果（VI–IOR11–VO）>（VZ3+ VZ4），则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结承受正向电压而导通。VBE12值为

经整顿后得

显然，（VI –VO）越大，即调节管VCE值越大，则IO越小，从而使调节管功耗限制在容许范畴内。由于IO减小，故上述保护称为减流式保护。
5.4.5过热保护电路
过热保护电路电路由DZ2、T3、T14和T13构成。在常温时，R3上压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止，对电路工作没有影响。当某种因素（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，R3上压降随DZ2工作电压升高而升高，而T14发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。调节管T10基极电流IB10被T13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护目。
电路中R10作用是给T10管ICEO10和T11管ICBO11一条分流通路，以改进温度稳定性。
值得指出是：当浮现故障时，上述几种保护电路是互有关联。

图 5-4-2三端稳压器典型接法
图5-4-2是应用78L05输出固定电压VO典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应不不大于2～3V。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入高频干扰。C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一种放电通路，防止C3两端电压作用于调节管be结，导致调节管be结击穿而损坏。
三端稳压器参数

参 数
单位
7805
输出电压范畴
V
4.8~5.2
最大输入电压
V
35
最大输出电流
A
1.5
△V0(I0变化引起)
mV
100(I0=5mA~1.5A)
△V0(Vi变化引起)
mV
50(Vi=7~25V)
△V0(温度变化引起)
mV/℃
±0.6(I0=500mA)
器件压降(Vi-V0)
V
2~2.5(I0=lA)
偏置电流
mA
6
输出电阻
mΩ
17
输出噪声电压(10~100kHz)
μV
40

5．5 集成转速传感器KMI15-1
集成转速传感器具备敏捷度高、测量范畴宽、抗干扰能力强、外围电路简朴等长处，是老式分立式转速传感器升级换代产品。下面是KMI15系列磁阻式集成转速传感器工作原理与典型应用。
转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，老式磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在某些缺陷：第一，敏捷度低，传感器与转动齿轮最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生是幅度很低且变化缓慢模仿电压信号，因而，需要通过放大、整形后变成沿口陡直数字频率信号，才干送给数字转速仪或数字频率计测量转速，并且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）转速，由于这时磁阻式传感器也许检测不到转速信号。
当前，转速传感器正朝着高敏捷度、高可靠性和全集成化方向发展5.5.1　ＫＭＩ１５－１型传感器性能特点 ＫＭＩ１５－１芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和ＩＣ。它运用ＩＣ来完毕信号变换功能，其输出电流信号频率与被测转速成正比，电流信号变化幅度为７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外围电路比较简朴，因而很容易配二次仪表测量转速。
ＫＭＩ１５－１器件测量范畴宽，敏捷度高，它齿轮转动频率范畴是０～２５ｋＨｚ，并且虽然在转动频率接近于零时，它也可以进行测量。传感器与齿轮最大磁感应距离为２．９ｍｍ（典型值），由于与齿轮相距较远，因而使用比较安全。
该传感器抗干扰能力强，同步具备方向性，它对轴向振动不敏感。此外，芯片内部尚有电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素影响。
ＫＭＩ１５－１体积较小，其最大外形尺寸为８×６×２１ｍｍ，能可靠固定在齿轮附近。
ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ电源供电（典型值），最高不超过１６Ｖ。工作温度范畴宽达－４０～＋８５℃。

工作原理
ＫＭＩ１５－１型集成转速传感器外形如图１所示，它两个引脚分别为ＵＣ（接＋１２Ｖ电源端）和Ｕ－（方波电流信号输出端）。为使信号变换器ＩＣ处在较低环境温度中，设计时专门将ＩＣ与传感元件分开，以改进传感器高温工作性能。
该传感器简化电路如图２所示。其内部重要涉及如下六某些：磁敏电阻传感器；前置放大器Ａ１；施密特触发器；开关控制式电流源；恒流源；电压控制器。
事实上，该传感器是由４只磁敏电阻构成一种桥路，可固定在接近齿轮地方，其测量原理如图３所示。
当齿轮沿Ｙ轴方向转动时，由于气隙处磁力线发生变化，磁路中磁阻也随之变化，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具备很强方向性，它对沿Ｙ轴转动物体十分敏感，而对沿Ｚ轴方向振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要。
工作时，传感器产生电信号一方面通过ＥＭＩ滤波器滤除高频电磁干扰，然后通过前置放大器，再运用施密特触发器进行整形以获得控制信号ＵＫ，并将其加到开关控制式电流源控制端。ＫＭＩ１５－１输出电流信号ＩＣＣ是由两个电流叠加而成，一种是由恒流源提供７ｍＡ恒定电流ＩＨ，另一种是由开关控制式电流源输出可变电流ＩＫ。它们之间关系式为：
ＩＣＣ＝ＩＨ＋ＩＫ　
当控制信号ＵＫ＝０（低电平）时，该电流源关断，ＩＫ＝０，ＩＣＣ＝ＩＨ＝７ｍＡ。当ＵＫ＝１（高电平）时，电流源被接通，ＩＫ＝７ｍＡ，从而使得ＩＣＣ＝１４ｍＡ。图４给出了从Ｕ－端输出方波电流信号波形，其高电平持续时间为ｔ１，周期为Ｔ。输出波形占空比Ｄ＝ｔ１／Ｔ＝５０％±２０％。上升时间和下降时间分别仅为０．５μｓ和０．７μｓ。
ＫＭＩ１５芯片中电压控制器事实上是一种并联调节式稳压器，可用于为传感器提供稳定工作电压ＵＣ。而电阻Ｒ３、稳压管ＶＤＺ和晶体管ＶＴ１则可构成取样电路，其中ＶＴ１接成射极跟随器。Ａ２为误差放大器，ＶＴ２为并联式调节管。这样，ＩＨ在通过Ｒ１、Ｒ２分压后可给Ａ２提供基准电压ＵＲＥＦ，从而在ＵＣＣ发生变化时，由Ａ２对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ｕｒ，同步通过变化ＶＴ２上电流来使ＵＣ保持不变。
5.5.3 ＫＭＩ１５－１典型应用
安装办法ＫＭＩ１５－１应当安装在转动齿轮旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一种小孔，套上螺扣，再拧上一种螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。
5.5.6 典型应用电路
ＫＭＩ１５－１型集成转速传感器典型应用电路如图５（ａ）所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻ＲＬ与负载电容ＣＬ上形成电压频率信号ＵＯ（ｆ），并送至二次仪表。普通取ＲＬ＝１１５Ω、ＣＬ＝０．１μＦ。需要指出：ＫＭＩ１５－１输出是齿轮转动频率ｆ（单位是Ｈｚ，即次／ｓ）信号，欲得到转速ｎ（ｒ／ｍｉｎ），还应将ｆ除以齿轮上齿数Ｎ，并将时间单位改成分钟，公式如下：
ｎ＝６０ｆ／Ｎ　
图５（ｂ）所示电路是由二极管ＶＤ、稳压管ＶＤＺ和电容Ｃ１构成静电放电（ＥＳＤ）保护电路，该电路可吸取２ｋＶＥＳＤ电压，因而可对芯片起到保护作用。此外，还需注意，在存储ＫＭＩ１５系列产品时，不要将各种芯片放在一起以防磁化。

5.6 译码器
串行移位译码器74LS164内部构造图如下： 74LS164时序图
74LS164为串行移位译码器，它重要由时钟线控制，时钟线每来一种上升弦，数据线将把一位数移进去，移八次就进一种字节，同步在数码管显示出来。
译码器是实现组合逻辑功能部件。它输入是二进制代码，输出是一组高低电平信号，每输入一组不同代码，只有一种输出端呈既有效信号。
74LS245芯片是一种八位总线收发器，其输入/输出引脚提成两组，其工作原理如下：
　　容许E　 方向控制DIR　 操作
　　低电平　 低电平　　　　 B数据到A总线
　　低电平　 高电平　　　　 A数据到B总线
　　高电平　 悬空　　　　　 隔离

一.程序设计
开始启动A/D转换
栈针初始化分派显示缓冲区
设立中断开CPU中断容许INT0 INT1中断
扫描键盘
未按下
按下
扫描IN0—IN6
扫描IN7
启动A/D转换
调用调宽程序
返回
启动A/D转换
调用显示程序
1主程序框图

2 INT0中断服务程序
保护现场
读A/D转换成果
送至显示缓冲区
启动A/D转换
恢复现