汽车传感器相关应用.docx

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汽车传感器相关应用

密级公开学号200840513052

衡水学院

毕业设计

霍尔传感器在汽车电子中的应用

论文作者

：

王冬冬

指导教师

：

侯晓云

系别

：

：

物理与电子信息

专业

电子信息工程

年级

：

2008级

提交日期

：

2008年4月20日

答辩日期

：

2008年5月30日

毕业论文（设计）学术承诺

本人郑重承诺：

所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。

作者签名：

日期：

毕业设计使用授权的说明

本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文的规定。

即：

学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。

作者签名：

指导教师签名：

日期：

日期：

论文题目：

霍尔传感器在汽车电子中的应用

摘要：

本文介绍了霍尔传感器测速的原理，设计了基于单片机AT89C2051的直流电机转速测量系统。

完成了电机转速测量系统的硬件电路设计、霍尔传感器测量电路的设计、显示电路的设计。

测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，控制定时器计数时间，即可实现对电机转速的测量。

在显示电路设计中，通过1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。

并对电机转速测量系统的硬件电路、显示电路进行了调试。

与软件配合，实现了测速。

仿真实验表明所设计的硬件电路及软件程序是正确的，满足设计要求。

关键词：

霍尔传感器；测速；单片机

Title：

Holzersensorelectronicsintheautomotiveapplication

Abstract:

ThispaperintroducestheHolzersensorspeedprinciple,designbasedonAT89C2051DCmotorspeedmeasurementsystem.Tocompletethemotorspeedmeasurementsystemhardwarecircuitdesign,theHolzersensormeasuringcircuitdesign,circuitdesign.MeasurementofrotationalspeedsensorandtheHolzershaftcoaxiallyconnectedshaft,oneweekperrevolution,resultinginacertainamountofpulsenumber,controltimercountingtime,canrealizethemeasurementofmotorspeed.Inthedesignofdisplaycircuit,by1602therealizationoftheLCDtovisuallydisplaythemotorspeedvalue.Andthemotorspeedmeasurementsystemhardwarecircuit,thedisplaycircuitdebugging.Withthesoftware,realizedthespeed.Simulationexperimentsshowthatthedesignedhardwarecircuitandsoftwareprogramarecorrect,andmeetthedesignrequirements.

Keywords:

Hallsensor;Velocitymeasurement;Microcomputer

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1引言1

1.2国内外传感器的发展现状及发展方向1

1.3传感器在未来的发展趋势1

1.4传感器在汽车电子中的应用2

2霍尔传感器的原理3

2.1关于霍尔原理的解释3

2.1.1霍尔效应的定义3

2.1.2霍尔效应的发现3

2.1.3霍尔效应的解释3

2.2霍尔传感器的构成及分类4

2.3.1线性型霍尔传感器的构成及特性4

2.3.2开关型霍尔传感器的构成及特性5

2.4霍尔传感器的应用6

3霍尔传感器在汽车电子系统中的应用7

3.1霍尔传感器在汽车测速中的应用7

3.1.1工作磁体的设置7

3.1.2工作原理7

3.2霍尔传感器在防抱死制动系统（ABS）中的应用7

3.2.1ABS的工作模式及结构形式8

3.2.2ABS的工作原理9

3.3霍尔传感器在点火系统中的应用9

4霍尔传感器测速设计11

4.1系统总设计要求11

4.2系统模块结构11

4.3总体硬件设计12

4.3.1硬件流程图12

4.3.2硬件电路设计13

4.4系统子模块介绍14

4.5软件设计17

4.5.1程序的流程17

4.52软件设计流程............................................................................................................................18

4.6系统的仿真19

5结论22

附录23

致谢29

1绪论

1.1引言

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。

1.2国内外传感器的发展现状及发展方向

在国际上传感器日益发展，2009年全球传感器市场容量为515亿美元，预计2012年全球传感器市场可达650亿美元以上。

例如在东欧、亚太区以及加拿大已经成为传感器市场增长最快的地方，而今经济发达的美国、德国及日本仍是传感器市场分布最大的地区。

就世界而言，汽车传感器是市场上增长最快的。

世界各国都对汽车传感器的理论研究、新材料应用及新产品开发都十分重视，然而各国的传感器的技术进步也非常迅速。

一些发达国家不断研发新型传感器并且提高也非常可观，从而使汽车性能也大大提高。

2010年前后，国外敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、智能化、系统化和网络化。

传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化。

国内产品所用到的传感器很多，主要产品有：

温度传感器、压力传感器、磁电传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器、力敏传感器、气敏传感器，用于工业生产的还有：

开关类的接近/定位传感器安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等，所以发展传感器的品种领域很宽广中国传感器的市场近的增长率不断提高，是由于改革开放以后，我国引进招商引资项目有很多外来投资者，比如有西门子公司、霍尼威尔公司、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造商带来了很大的便利，虽然国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟发达国家相比。

我国的汽车传感器由于起步较晚，有很多传感器不能整体生产。

只有零散的产品为化油器配套使用，如车速传感器采用的是电磁式或霍尔式，存在着准确度问题，抗干扰能力问题和不同环境下的寿命等问题，而国外同类产品采用的是光电式，不存在上述问题。

1.3传感器在未来的发展趋势

由于传感器在市场需求很大和它控制系统中起到的重要作用，世界各国对其理论研究非常重视，也不断的出现新的产品。

未来传感器技术发展的新途径将会是：

功能化、模块化、智能化、微型化来引领。

传感器的具体发展方向可以主要概括为以下几个方面：

（1）在传感器的原理之上利用用新材料生产新型传感器。

（2）开发多功能化的传感器，主要是将放大、整形、补偿等外围电路一体化的集成化传感器和智能小型型传感器。

（3）开发数字输出化型传感器，随时能与微机相连。

（4）实现传感器控制信号的直接显示的新型传感器主要有以下几种：

用于舒适性和安全性的环境传感器、用于实现夜视功能的传感器、用于实现汽车主动安全的传感器、用于实现线控转向与制动的传感器、用于驾驶员身份识别的生物统计传感器以及遥感勘测传感器等。

1.4传感器在汽车电子中的应用

汽车传感器是汽车部件中一种重要的传感电子设备，随着汽车配置的越来越高，汽车传感器的发展也越来越先进。

汽车电子控制装置的应用越来越广泛，每个电子控制装置都包括传感器、电控单元、执行机构三部分。

它是采用传感器监测汽车有关总成的工作状况，并将相关信息传给电控单元，电控单元经过分析、运算、判断后，发送指令给执行机构，从而使相关总成的工作状况达到最佳。

车用传感器主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、汽车测速系统、车身控制系统和防抱死装置。

它的应用大大提高了汽车电子化程度，增加了汽车驾驶的安全系数。

2霍尔传感器的原理

2.1关于霍尔原理的解释

2.1.1霍尔效应的定义

通电导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。

2.1.2霍尔效应的发现

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。

它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。

当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电压差。

虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。

根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器。

2.1.3霍尔效应的解释

如图2-1所示，至于磁场中的静止载流导体，当它电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场上产生电动势，该电动势称为霍尔电动势。

如图2-1所示，在垂直于外磁场B方向上放置一导电板，给导体通电流I，导电板的电流金属中自由电子在电场做作用下做定向运动。

此时，电子受到洛伦兹力的作用。

图2-1霍尔效应原理图

洛伦兹力大小为

（2-1）

式中：

e代表电子电荷B代表磁场的强度v表示电子运动的平均速度。

此时电子出了沿电流方向做定向运动外，还在

的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积积累电子。

而外侧面积积累正电荷从而形成附加内电场，称霍尔电场，改电场强度为

（2-2）

式中：

表示电势差

霍尔电场的发现，除了受到洛伦兹力的作用为还受到电场力的左右大小为，此力阻止电荷继续积累，随着内外侧面积电荷的增加霍尔电场增大所受到的电场力液增大当增大到与洛伦兹力相等时达到平衡（两个力方向相反）此时电荷不在积累。

（2-3）

（2-4）

若金属导电板的单位体积内的电子数为n，电子的平均速度为v则产生的电流即（d表示导电板厚度）

（2-5）

将（2-5）与（2-4）联立得

（2-6）

将上式的带入（2-2）得

（2-7）

式中令

，称之为霍尔常数则

（2-8）

式中的

是霍尔片的灵敏度。

2.2霍尔传感器的构成及分类

霍尔传感器是由霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源设计在一个芯片上构成霍尔传感器。

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。

2.3.1线性型霍尔传感器的构成及特性

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。

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B1～B2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。

图2-2输出电压与磁场强度关系

2.3.2开关型霍尔传感器的构成及特性

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

如图2-3所示，工作点“开”时的磁感应强度用BOP表示，释放点“关”的磁感应强度用BRP。

当外磁场强度超出BOP此时的输出为低电平，在高出的范围内保持不变，一直要降到释放点BRP时，传感器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。

图2-3开关型传感器特性

还有一种锁键型开关型霍尔传感器，如图2-4所示，当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出电平发生变化有高电平跃变为低电平，如果撤销磁场其输出状态保持不变即锁存状态，要想恢复这种状态必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

图2-4锁键性传感器特性

2.4霍尔传感器的应用

霍尔传感器的应用十分广泛。

它可以直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，在工业技术上成为磁场是被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制等。

主要是用于电器、航天、汽车、轮船的核心控制技术有重要的地位。

3霍尔传感器在汽车电子系统中的应用

3.1霍尔传感器在汽车测速中的应用

测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，对侧速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。

介绍了应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。

3.1.1工作磁体的设置

将一非磁性圆盘固定装在电机转轴上，圆盘边缘等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁。

如下图3-1，由于霍尔传感器的磁特性，我们这里把磁场作为霍尔传感器的运动和位置的载体，通常情况下我们用永久磁钢作为磁场。

当两齿轮之间空隙正对霍尔传感器，磁力线比较分散测得场强比较弱的。

如果某一单一的齿正对霍尔传感器时穿过的磁力线比较多场强不较大，由于此过程中磁力线密度发生变化而引起霍尔电压的变化霍尔元件将输出一个方波电压。

此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压，当外加磁场的S极接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正。

也可将工作磁体固定在霍尔器件，让被检的钢齿从它们近旁通过，检测出物体上的磁钢，得出物体的运动时霍尔电压参数。

图3-1霍尔传感器检测信号图

3.1.2工作原理

在汽车测速系统中霍尔传感器与机轴相连接，当汽车运动时机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件将所产生的信号出入机车中的小型微机中，微机对所接受到得脉冲信号进行计算处理。

得出当前速度值并控制通过LCD显示出来当前速度，如果速度过高的话一般车内会安有报警系统，随之报警。

3.2霍尔传感器在防抱死制动系统（ABS）中的应用

ABS是目前国外汽车中广泛使用的一种行车安全装置。

使用ABS后,可使汽车达到：

a.防止汽车测滑、甩尾,大大提高车辆制动过程中的方向稳定性。

b.使汽车转向轮具有可操纵性,即使在制动过程中，仍然能操纵汽车躲开前方的障碍。

c.可缩短制动距离，特别是在很滑的冰雪路面上，可缩短10%~20%的制动距离。

d.防止轮胎拖胎，减小轮胎磨损和轮胎粉末对大气的污染，并可使轮胎使用寿命延长6%-10%。

因此，这是一种既保护自身安全，又可避免伤害他人的主动安全技术。

3.2.1ABS的工作模式及结构形式

一个ABS系统中包括三个部分一个四个轮速传感器和一个电子控制单元，并且至少有两个刹车液压阀门，如图3-2所示。

图3-2ABS系统结构形式图

电子控制单元不断对四个轮速传感器测量产生的信号进行分析，如果其中有一个车轮转速明显比其它三个轮速慢，那么它控制液压来减少这个轮子刹车液压阀的压力，以使这个轮子和其他轮子速度相同。

相反，假如其中一个轮子的转速过快，它的刹车液压阀压力就会增加，减少轮速，此过程中在ABS电子控制单元内部段的重复工作，每秒钟10-60次，ABS技术有效防止了减速时车轮抱死的现象，并且有效减缓刹车距离，四个车轮上安装有速度传感器采集行车状态参数，大大提高了各项检测参数指标。

仍然保持恒定这样有利于检测信号的准确性，提高了灵敏度。

3.2.2ABS的工作原理

在ABS中,速度传感器是十分重要的部件。

ABS的工作原理示意图如图3-3所示。

图中1,1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。

在制动过程中,控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理,得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。

在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，ABS中的关键部件之一。

图3-3ABS气动工作原理

3.3霍尔传感器在点火系统中的应用

霍尔器件在汽车发动机点火系统中，是将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器,用作点火脉冲发生器。

这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。

相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境,还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

霍尔传感器在点火中的工作原理；霍尔电路通电后，当翼片齿未进入工作气隙时，由磁钢产生的磁场作用到霍尔电路的磁感应强度B>Bop（工作点），电路处于导通状态，输出低电平Uo<0.4V。

翼片齿进入工作气隙后，永磁磁钢的磁力线被软磁翼处屏蔽，使作用到电路的磁感应强度P>BRP（释放点），电路截止，输出高电平（电压幅度接近电源电压）。

在汽车分电器中，将翼片连接在凸轮轴上，传感器固定于分电器底板上。

工作中,当翼片齿移入气隙时给出一高电平，移出气隙时给出一低电平形成矩形波，利用下降沿（或上升沿）触发点火电路进行点火。

这种用霍尔翼片传感器取代机械触点断电器的电子断电器工作无惯性、无触点、无磨擦、无须保养、寿命长、可靠性高，点火准时性不受其它因素的影响，准时误差最小，和晶体管开关电路一起工作时，可使点火线圈次级得到较高的点火电压和能量，且低速、高速点火性能均良好。

4霍尔传感器测速设计

4.1系统总设计要求

如果把霍尔传感器放和电机预定的位置上,当电机转动时，永磁体经过霍尔传感器时，可以测量电路中的脉冲信号。

根据脉冲信号的分布可以测得电机速度。

4.2系统模块结构

（1）霍尔测速模块的选择

方案一：

采用霍尔元件传感器；选型号OH137产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接口。

价格10~20元之间不等。

方案二：

采用霍尔传感器；选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10v,输出信号5V/25mA,电源为12~15V。

体积大，价格一般为40~120元之间不等。

从性价比方面综合考虑因此选择方案一。

（2）计数模块也选择

可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。

片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的技术过程，并在技术完毕后读取计数值。

片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。

使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。

每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。

特点在于：

使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。

所以选用片内计数。

（3）显示论证与选择

方案一：

采用8段LED数码管作为显示模块核心。

数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。

方案二：

采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。

LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。

因此选择方案二。

（4）单片机模块的论证与选择

方案一：

选用AT89C2051的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，

方案二：

PhilipsP89C51RD2有4个PDA,属于兼容版。

方案比较：

因为项目的目标是测速系统的应用，所以我还是选用了方案一中51系列的单片机，因为51的架构十分典型。

选择方案一中51系列单片机我认为主要考虑以下方面：

1.价格便宜；2.开发手段便宜。

（5）转速测量方法与论证

方案一：

测周法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。

测出产生N个脉冲内所需要的时间t，则信号的周期为

，测量频率误差

相对误差

，误差主要来自采样的时间误差，低频脉冲情况下误差较小，测量精度高。

方案二：

测频法是测量单位时间内的脉数换算成频率。

在设定t时间内，测量产生N个脉冲，则信号的周期为f=N/t，测量频率误差Δf≈ΔN/t，相对误差Δf/f=ΔN/N，误差主要来自脉冲个数正负一个计数误差，高频脉冲情况下误差较小，测量精度高。

方案比较：

由于两个方案都产生的误差，但是一方案中的时间误差，而本设计是汽车测速要测得是时刻速度，故选择方案二。

4.3总体硬件设计

基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：

测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。

经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。

保持同89C2051逻辑电平相一致。

控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。

CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。

4.3.1硬件流程图

以单片机AT89C205l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器1602显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，系统硬件原理图如图4-1所示。

图4-1系统硬件流程图

4.3.2硬件电路设计

（1）通过霍尔传感器产生脉冲信号，并经过74LS14进行放大，硬件电路图如图4-2所示。

图4-2产生测速信号硬件原理图

（2）将产生的脉冲信号进行耦合处理其中Signal代表脉冲信号，脉冲信号通过光电耦合器将其转换为单片机可采集的5V脉冲信号，如图4-3所示。

图4-3对产生的脉冲信号进行耦合

（3）将耦合处理后的信号介入单片机中0点位置如图4-4所示。

图4-4单片机电路相连接

4.4系统子模块介绍

本文主要利用霍尔传感器对电动机进行速度测量。

系统以单片机AT89C205l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用字符型液晶显示器1602显示电机的转速。

单片机转速测量系统。

组成霍尔传感器转速测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个部分组成。

（1）霍尔传感器部分

主要分为两个部分。

第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。

本文中选用的是OH137的霍尔传感器如图4-5所示。

图4-5OH137内部结构图

图中RL=820ΩCL=20PF管脚1表示电源，管脚2表示接地，