霍爾元件測汽車速度

1、 西安工業(yè)大學課程設計說明書 目錄1 緒論.21.1目的背景意義.21.2發(fā)展狀況.21.3設計研究內容.42 方案分類及選擇.42.1方案分類.52.2方案選擇.83 系統(tǒng)的基本構成及工作原理.93.1系統(tǒng)組成.93.2系統(tǒng)的主要工作原理.103.3系統(tǒng)軟件設計.143.4 AD轉換器的選擇.164 安裝結構示意圖.175 結語.18參考文獻.191 緒論1.1目的背景意義 近年來，汽車保有量迅速增加，車輛安全性已成為人們最關心的問題。為了保障人民生命財產安全，政府部門制定了相關的道路交通安全法規(guī)，為了滿足安全法規(guī)和消費者對車輛安全性的要求，廠商采取了多方面措施來改善車輛的安全性能，其中電子

2、技術起了很大的作用。隨著現代電子技術的發(fā)展，車輛電子化的程度越來越高，車輛傳感器成為汽車電子控制系統(tǒng)的重要組成部件，也是車輛電子技術領域研究的核心技術之一。車輛內傳感器的工作環(huán)境十分惡劣，因此對傳感器的要求也十分嚴格。這些傳感器必須要經受40150的溫度變化，而且要求精度高、可靠性好、反應快、抗干擾和抗振動能力強，才能準確地實時檢測車輛運行的有關狀態(tài)，速度傳感器是列車安全行駛的重要設備，它能否穩(wěn)定工作，將直接影響到車輛的正常運行。 隨著電子技術的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，通常的機械系統(tǒng)已經難以解決某些與汽車功能要求有關的問題，而被電子控制系統(tǒng)代替。傳感器的作用就是根據規(guī)定的被測量的大小，定

3、量提供有用的電輸出信號的部件，亦即傳感器把光、時間、電、溫度、壓力及氣體等的物理、化學量轉換成信號的變換器。傳感器作為汽車電控系統(tǒng)的關鍵部件，它直接影響汽車的技術性能的發(fā)揮。1.2發(fā)展狀況作為現代信息技術三大支柱之一的傳感器技術,已成為21世紀人們在高新技術發(fā)展方面爭奪的一個制高點。在現代汽車電子控制中，傳感器廣泛用于發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導航系統(tǒng)中，傳感器的使用數量和技術水平決定了現代車輛控制系統(tǒng)的性能，為汽車性能的改善提供了有力保障。傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是促進汽車高檔化、電子化、自動化的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內容之一。普通汽車上大約裝有

4、10-20只傳感器，高級豪華轎車則更多。傳感器能及時識別外界和系統(tǒng)本身的變化，對溫度、壓力、位置、轉速、體積流量等信息進行實時、準確的測量，并將信息傳遞給電腦進行處理，從而實現汽車各系統(tǒng)的電子控制?，F代社會對車輛性能的要求越來越高，促使汽車傳感器技術不斷發(fā)展，今后汽車傳感器的發(fā)展趨勢是實現微型化、智能化和多功能化，開發(fā)新材料、新工藝和新型傳感器。汽車車速傳感器檢測系統(tǒng)設計是一種傳感器檢測裝置。利用車速傳感器把檢測到的轉速信號轉變成的電壓信號輸送給計算機，計算機通過變頻器來控制電機速度，利用傳感器檢測的速度值與規(guī)定值進行比較，達到對傳感器的檢測目的。系統(tǒng)采用硬件兼軟件對測量過程及測量結果進行處理

5、。與傳統(tǒng)的檢測技術相比，此種傳感器檢測裝置有結構簡單、新穎、易于實現的特點。實踐證明在檢測，維修范圍內都取得了良好的效果，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)精度及動態(tài)響應性能，檢測實用性強、準確度高,具有廣闊的應用前景。據有關統(tǒng)計資料表明，在重大交通事故中，約有40%是由于駕駛員違章超速行駛造成的。理論和實驗表明，汽車的制動距離與汽車制動初速度的平方成正比。即制動時汽車的行駛速度越高，汽車的制動距離越大，這是車速越高越容易發(fā)生事故的原因。因此，汽車在行駛中，駕駛員根據道路，氣候，環(huán)境，交通流量狀況正常掌握車速，是行車安全的關鍵。汽車行駛時，駕駛員可通過主觀估計來掌握正確的行駛速度，另一方面也可觀察車速里程表的

6、顯示來掌握正確的車速。但是因為人對車速的主觀估計，往往因外界環(huán)境的不同及駕駛員本身的經驗不足而造成誤差，對車速不能準確估計，另外車速表使用時間長后內部磁場減弱，車輪直徑磨損減小等原因也有可能造成誤差。為保證行車安全，一般駕駛員要通過車速表來掌握車速。若車速表的指示誤差較大，駕駛員就很難準確地掌握車速，因而可能導致交通事故的發(fā)生。因此，為了保障行車安全，車速表的指示誤差被列為汽車安全檢測中的必檢項部之一現代汽車上一般都裝有發(fā)動機控制、自動駕駛、ABS、TRC、自動鎖車門、主動式懸架、導向系統(tǒng)、電子儀表等裝置,這些裝置都需要汽車車速信號。因此,車速傳感器的輸出信號準確性和穩(wěn)定性將對這些控制單元產生

7、極大的影響。1.3設計研究內容1.3.1國家標準對車速表的規(guī)定在GB 7258-1997機動車運行安全技術條件附錄A“車速表檢驗方法”中規(guī)定：1. 車速表檢驗應在車速表試驗臺上進行。2. 將被檢測車輛行駛上車速度表試驗臺并帶動試驗臺滾筒旋轉。當車速表試驗臺的速度指示值（V2）為40km/h時，讀取被檢測車的車速表指示值（V1），當V1讀數在3848km/h范圍內為合格。3. 當被檢測車車速表指示值（V1）為40km/h時，車速表試驗臺上速度指示儀表指示值（V2）在33.342.1km/h范圍內為合格。1.3.2設計要求適用車型：家用小轎車測量范圍：0200km/h測量精度：-15%+5%1.3

8、.3車速表的工作原理1.車速表 是指示汽車行駛速度的儀表，它一般與里程表組合為一體，又稱車速里程表2.車速表的種類及工作原理車速表的測量元件種類較多2 方案分類及選擇2.1方案分類2.1.1測速發(fā)電機式車速傳感器 （圖2.1.1.1）測速發(fā)電機是一種永磁發(fā)電機，由于制作精密，它能夠產生幾乎與轉速完全成正比的電壓信號(見圖1-（b），屬于模擬信號)，將它安裝在滾筒一端。當滾筒轉動時，測速發(fā)電機就可以輸出與轉速成正比的電壓。此信號經放大和A/D轉換后送入單片機處理。圖2.1.1.1測速發(fā)電機式車速傳感器2.1.2光電編碼式車速傳感器（圖2.1.2.1）它有一個帶孔或帶齒的編碼盤，安裝在滾筒的一端并

9、隨滾筒轉動。有一對由光源和光接收器組 成的光電開關，其中光源一般是發(fā)出紅外光，光接收器多由光敏三極管和放大電路組成，可將收到的光信號變?yōu)殡娦盘?。光源和光接收器分別置于編碼盤的兩側，并彼此對準。當編碼盤轉動時，光源發(fā)出的光線周期性地被遮住，于是光接收器將收到斷續(xù)的光信號，并轉換成一系列的電脈沖（脈沖信號），脈沖頻率與滾筒轉速成正比。將此脈沖信號經過光電隔離等環(huán)節(jié)之后，也送入單片機處理。圖2.1.2.1光電編碼式車速傳感器2.1.3霍爾元件式車速傳感器（圖2.1.3.1）霍爾效應是一種磁電效應，是德國物理學家霍爾1879年研究載流導體在磁場中受力的性質時發(fā)現的。流垂直于外磁場方向通過導體時，在垂直

10、于磁場和電流方向的導體的兩個端面之間出現電勢差的現象稱為霍爾效應，該電勢差稱為霍爾電勢差（霍爾電壓）。根據霍爾效應，人們用半導體材料制成霍爾元件，它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、 輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。 霍爾效應在應用技術中特別重要，如果對位于磁場(B)中的導體(d)施加一個電壓(V)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產生另一個電壓(UH)，人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產生這種現象被稱為霍爾效應。好比一條路, 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動。

11、當有磁場時, 大家可能會被推到靠路的右邊行走。故路(導體)的兩側, 就會產生電壓差。這個就叫“霍爾效應”。其原理圖如下圖2.1.3.1所示。圖2.1.3.1霍爾元件式車速傳感器霍爾元件是利用霍爾效應原理。將帶齒的圓盤固定在滾筒一端，并隨滾筒一起轉動，當圓盤的齒未經過磁導板時，有磁場經過霍爾元件，因而感應霍爾電動勢。當圓盤的齒經過磁導板時，磁場被短路，霍爾電動勢消失，所以霍爾元件可以產生與速度成正比的脈沖信號。此脈沖信號同樣經過一定的隔離處理后，送入單片機。以下優(yōu)點：一是輸出信號電壓幅值不受轉速的影響；二是頻率響應高，其幅頻響應可高達,相當于車速為時所檢測的信號頻率；三是抗電磁波干擾能力強。正因

12、為如此，車輛上的車速傳感器大都采用霍爾式傳感器。如圖2.1.3.2。圖2.1.3.2 霍爾式傳感器2.1.4磁電式車速傳感器 磁電式傳感器與霍爾式傳感器是車輛上常用來檢測車速和轉速的信號。磁電式傳感器是利用電磁感應原理工作的，即：當閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時，回路中就產生感應電動勢，其大小與磁通量的變化率有關，通過改變穿越線圈磁通量的變化率就可以改變感應電動勢的變化，而在實際應用過程當中改變穿越線圈磁通量的變化率的方式有3種，即移動線圈、移動磁鐵或改變磁阻，與之對應的分別稱為動圈式磁電傳感器、動鐵式磁電傳感器及磁阻式磁電傳感器。而在車輛上應用最廣的是磁阻式磁電傳感器。下面以磁阻式磁電傳感器為

13、例來講磁電式傳感器在車輛上的應用情況。磁阻式磁電傳感器在車輛上的應用可以用來檢測發(fā)動機轉速和車輪轉速，一般由傳感頭和齒圈組成，而傳感頭主要由永磁體、磁極和感應線圈組成。當齒圈的齒隙與傳感器的極軸端部相對時，極軸端部與齒圈之間的空氣間隙最大，磁阻也最大，通過感應線圈的磁通量最小。而當齒圈的齒頂與傳感器的極軸端部相對應時，極軸端部與齒圈之間的空氣間隙最小，磁阻也最小，通過感應線圈的磁通量最大。當齒圈隨同車輪轉動時，齒圈的齒頂和齒隙就交替地與傳感器極軸頂部相對，傳感器感應線圈周圍的磁場隨之發(fā)生強弱交替變化，在感應線圈中就會感應出交變電動勢，其頻率與齒圈的齒數和轉速成正比。 磁電式輪速傳感器結構簡單、

14、成本低、工作穩(wěn)定可靠,幾乎不受溫度、灰塵等環(huán)境因素的影響，缺點是：一是輸出信號的幅值隨轉速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應頻率不高。當轉速過高時，傳感器的頻率響應跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國內外ABS系統(tǒng)的控制速度范圍一般為15km/h160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到8km/h260km/h以至更大，顯然磁電式輪速傳感器很難適應。2.2方案選擇選擇霍爾元件式車速傳感器目前汽車車速傳感器多采用霍爾式結構,霍爾車速傳感器是一種基于霍爾效應的磁電傳感器,具有對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應高、抗電磁干擾能力強、結構簡單、使用方便等

15、特點。它主要是由特定磁極對數的永久磁鐵(一般為4或8對)、霍爾元件、旋轉機構及輸入/輸出插件等組成。其工作原理是當傳感器的旋轉機構在外驅動作用下旋轉時,會帶動永久磁鐵旋轉,穿過霍爾元件的磁場將產生周期性變化,引起霍爾元件輸出電壓變化,通過后續(xù)電路處理形成穩(wěn)定的脈沖電壓信號,作為車速傳感器的輸出信號。集成化與智能化、高效自動測量、軟件計算、圖形或數表顯示測試結果的測試系統(tǒng)越來越受到汽車車速傳感器生產企業(yè)的青睞。文中主要是針對目前常用的霍爾式車速傳感器的性能測量而開發(fā)的一種綜合檢測裝置?；诔杀究紤],利用微處理器的高速計數器端口作為車速傳感器的數據采集,利用軟件控制實現對采集數據的計算和圖形化顯示

16、處理。完成的檢測裝置具有測試精度高、數據通信可靠、圖表化的良好用戶界面、抗干擾能力強、檢測過程簡單直觀、系統(tǒng)開發(fā)成本低等優(yōu)點,具有較好的推廣應用前景。3 系統(tǒng)的基本構成及工作原理3.1系統(tǒng)組成研制的系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分構成。硬件部分主要由驅動機構、多電壓電源、采樣保持、采樣關鍵點測量、車速傳感器端口、分路選通、通訊接口、處理器、上位機、打印機及系統(tǒng)軟件等組成,霍爾式車速傳感器檢測系統(tǒng)結構框圖如圖3.1.1所示。 圖3.1.1 系統(tǒng)結構框圖驅動機構主要由變頻器控制的磁滯電機帶動機械聯動機構組成,通過機械聯動機構與車速傳感器連接,模擬汽車變速箱完成對車速傳感器的驅動。多電壓電源部分主要是利

17、用三端穩(wěn)壓電源LM317T芯片實現車速傳感器不同工作電壓的分時供給。采樣部分主要是由電壓比較器LM339芯片構成的采樣保持和關鍵點采樣電路構成。車速傳感器端口是模擬汽車電線束插頭結構的機械連接器。分路選通控制部分主要是利用8選1模擬開關CD4051芯片通過軟件控制分路選通待測傳感器,可一次安裝分時完成8路傳感器信號的測量。處理器采用STC12C5410AD單片機。上位機及打印機選擇普通的計算機和打印機。軟件部分主要包括初始化、不同標準電壓的切換控制、數據采樣控制、計算和分析、圖形及數據顯示、參數設置、數據維護、電壓采樣等任務構成。3.2系統(tǒng)主要工作原理信號采樣電路及采樣分析計算霍爾式車速傳感器

18、的電氣參數測量主要分為兩種方式,一種是利用微處理器AD端口實現對車速傳感器的工作電壓、輸出波形的高電壓和低電壓的測量;另一種是利用微處理器的可編程計數器陣列PCA模塊的上升和下降捕獲功能控制輸出波形上升沿的10%,90%,下降沿的10%,90%電壓時刻的采樣,實現特定的采樣數據采集,具體采樣時刻如圖3.2.1所示圖3.2.1 采樣時刻電子控制器微機硬件的作用是：根據電子控制器存儲的程序和數據，對發(fā)動機(或汽車)傳感器輸入的各種信息(模擬數字)進行運算、處理、判斷。然后輸出動作指令，控制各有關執(zhí)行器進行工作，達到快速、準確、自動地控制發(fā)動機(或汽車)工作的目的。若系統(tǒng)中采用硬件較多，則處理信息的

19、速度加快，可改善控制系統(tǒng)的性能，但系統(tǒng)的結構復雜化；若系統(tǒng)中多采用軟件替代一些硬件，則可減少電器元件數目，但系統(tǒng)的處理速度減慢，響應度也降低。因而電子控制器合理地選配硬件與軟件兩者的比例是至關重要的，應按控制系統(tǒng)的具體要求來確定電子控制器的硬件有專用控制微機、電路、輸入與輸出接口等。即主要是集成電路、電子元件與印刷電路板。如圖3.2.2圖3.2.2 電子控制器從傳感器送出的信號有模擬信號和數字信號兩種，其中的模擬信號微機不能直接識別與處理，需經過相應的A/D中轉換電路將模擬信號轉換成數字信號后才能輸入微機。輸入的模擬信號有吸入空氣流量、空氣溫度、發(fā)動機冷卻水溫度、發(fā)動機負荷(轉速)、電源電壓等

20、多個信號。這幾個信號分別經過相應的處理電路后，再經過模數(A/D)轉換器轉換之后，才以數字量的形式送入到中央處理器CPU，控制系統(tǒng)采集的數字信號主要是來自轉速傳感器的轉速信號與活塞上止點參考信息，它們都是脈沖信號。這兩個信號經過處理電路之后，通過I/O (輸入輸出接口電路)接口就可直接送入微機。如圖3.2.3 圖3.2.3 AD轉換電路為了提高采樣的準確性和判定信號的完整性,本測試系統(tǒng)每次對單工件測量需采集20個數據,即3個電壓數據,17個時間數據。電壓采樣電路是通過分壓電路控制采樣輸入電壓,如圖3.2.4所示。圖3.2.4 電壓采樣電路 其中,ADC0主要實現電源電壓的采樣,ADC1實現傳感

21、器輸出信號高電壓采樣,ADC2實現傳感器輸出信號低電壓采樣。輸出信號的上升沿和下降沿的特定時刻采樣電路主要是通過高電壓、低電壓保持電路和采樣點捕獲電路構成。低電壓保持電路如圖3.2.5所示。圖3.2.5 低電壓保持電路要利用U1(8選1模擬開關4051)控制分時選擇待測量的傳感器,經電壓比較器LM339N的輸出端Q1和Q2,分別控制U2和U3的禁止輸出端INH,對輸出信號的高低電壓進行采樣捕獲和保持。Q0是某一路傳感器的輸出信號,當其低于U3A反相端時,Q2輸出為低電壓,啟動U3,VOL對Q0開始放電,當Q0電壓超過U3A反相端時,U3關閉,VOL保持當前電壓,此電壓即為傳感器的低電壓值。同理

22、,Q0電壓低于U3B的同相端電壓時,Q1輸出為低電壓,啟動U2,Q0開始對VOH充電,當Q0電壓低于U3B時,U2關閉,VOH保持當前電壓,此電壓即為傳感器的高電壓值。通過U2的高電壓選通和U3的低電壓選通,分別實現高電壓和低電壓采樣保持。采樣點捕獲電路主要利用傳感器輸出電勢差構成的串聯電阻分壓,實現10%和90%時刻的電壓信號采樣,如圖3.2.6所示。圖 3.2.6 采樣點捕獲電路當傳感器信號Q0電壓超過10%時,U3D工作,其輸出PCA1產生上升沿信號(10%),觸發(fā)微處理器捕捉中斷PCA1引腳,記錄當前定時器的時間值t1,當Q0升高超過90%時,U3C工作,其輸出產生上升沿信號(90%)

23、,觸發(fā)微處理器捕捉中斷引腳PCA1,記錄當前定時器的時間值t2。同理,下降低于90%和10%時刻,分別產生下降沿捕捉信號,觸發(fā)定時器的時間值t3和t4。文中檢測產品每周輸出4個脈沖信號,故需檢測17個時間特征點,才可對一個完整的信號周期的參數值進行計算。 按數據的特征,可通過軟件實現特定參數的計算:上升時間:tr=t2-t1下降時間:tf=t4-t3周期：T=（t17-t1）/4占空比=（t3-t2）/T*100%3.3系統(tǒng)軟件設計對于每周4個脈沖輸出的車速傳感器檢測,主要是通過對不同工作電壓條件下的輸出信號測量來完成對傳感器信號性能的檢測,并通過上位機以圖表的方式提供給操作人員,完成對傳感器

24、的性能檢測。其系統(tǒng)軟件的實現框圖如圖3.3.1所示。 在進入檢測過程時,首先由系統(tǒng)自動選擇測試電壓,按車速傳感器產品的極限工作電壓和正常工作電壓分別選擇高電壓16V、低電壓8V及正常工作電壓12V3種電壓模式。在不同的電壓模式下,重復高電壓、低電壓、電源電壓檢測及輸出單路車速傳感器信號的每周期信號波形的特征點檢測。通過對檢測到的各特征點進行分析計算,確定車速傳感器的性能參數值,對合格的、不合格或異常的數據利用c語言的面向對象和事件驅動特點實現直觀的顯示界面。同時,對每組產品的測試數據可按需要控制打印機輸出,通過輸出的檢測數據,可方便工程技術人員對傳感器輸出信號進行分析計算。 圖3.3.1 系統(tǒng)

25、軟件的實現框圖為了提高測試精度,設計中采用了多次測量取均值的方法。經對標準信號源的測量結果比較分析,該檢測系統(tǒng)對霍爾式車速傳感器的主要特征數據檢測精度可在 5%以內,特征數據的漏檢率為0,完全可滿足霍爾式車速傳感器產品測試的要求。3.4 ad裝換器的選擇ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。目前僅在單片機初學應用設計中較為常見。3.4.1主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。2）具有轉換起?？刂贫恕?）轉換時間為100s(時鐘為640KHz時)，130s（時鐘為500KHz時）。4）單個+5V電源供電。5）模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度。7）低功耗，約15mW。3.4.2外部特性ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.4.2.1。下面說明各引腳功能：IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入端，產生一個正脈沖以鎖存地址。START： A/D轉換