集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動機啟動按鈕中的應(yīng)用

1、普通物理實驗C課程論文題 目 集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動機啟動按鈕中的應(yīng)用 學(xué) 院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院專 業(yè) 物理學(xué)（師范） 年 級 2011級 學(xué) 號 姓 名 王黎陽 指導(dǎo)教師 雷衍漣 論文成績 _ 答辯成績 _2012年12月13日集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動機啟動按鈕中的應(yīng)用王黎陽西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715摘要：為了解決傳統(tǒng)鑰匙式按鈕開關(guān)啟動汽車發(fā)動機穩(wěn)定性差、不方便、容易發(fā)生機械故障等問題，設(shè)計了一種利用集成開關(guān)型霍爾傳感器制成的啟動式按鈕開關(guān)，并采用磁極正對霍爾傳感器接近啟動的啟動方式以及單極磁場的磁輸入方式，以A44E型霍爾開關(guān)為例應(yīng)用于啟

2、動汽車發(fā)動機，實現(xiàn)了方便、快速、美觀、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點。關(guān)鍵詞：按鈕開關(guān)；集成開關(guān)型霍爾傳感器；A44E型霍爾開關(guān)；汽車發(fā)動機啟動；1引言按鈕開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用十分廣泛的主令電器。在電氣自動控制電路中，用于手動發(fā)出控制信號以控制接觸器、繼電器、電磁起動器等。按鈕開關(guān)的結(jié)構(gòu)種類很多，可完成啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、變速以及互鎖等基本控制。而在啟動汽車發(fā)動機時，傳統(tǒng)的鑰匙式按鈕開關(guān)操作復(fù)雜，需要鑰匙這一開啟工具，且容易造成機械故障。本文運用集成開關(guān)型霍爾傳感器設(shè)計了一種新型啟動式按鈕開關(guān)，采用磁極正對霍爾傳感器接近啟動的啟動方式以及單極磁場的磁輸入方式，并以A44E型霍爾開關(guān)為例介

3、紹它在汽車發(fā)動機啟動時的應(yīng)用，以實現(xiàn)方便、快速、準確、安全、美觀等特點。2集成開關(guān)型霍爾傳感器2.1集成霍爾開關(guān)的工作原理集成霍爾傳感器是在制造硅集成電路的同時，在硅片上制造具有傳感器功能的霍爾效應(yīng)器件，因而使集成電路具有對磁場敏感的特性。集成開關(guān)型霍爾傳感器是把霍爾器件的輸出電壓經(jīng)過一定的閥值甄別處理和放大，而輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號1。如圖1所示，集成霍爾開關(guān)是由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）B、差分放大法器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個基本部分組成。1,2,3代表集成霍爾開關(guān)的三個引出端點。圖1 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖在輸入端輸入電壓VC，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加載霍爾電勢發(fā)生器

4、兩端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當霍爾片處于磁場中時，在垂直磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會有一個霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(jīng)放大器放大后，送至施密特觸發(fā)器，由觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當施加的磁場達到“工作點”（即BOP）時，觸發(fā)器輸出高電壓（相對于低電位），使三極管導(dǎo)通，此時，OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為“開”。當施加的磁場達到“釋放點”（即RP）時，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這時稱其為“關(guān)”態(tài)。這樣兩次高低電壓變換，使霍爾開關(guān)完成一次開關(guān)動作。常見的霍爾開關(guān)有UGN3109、A44E和US58812。2.2集成霍爾開關(guān)的輸入

5、特性傳感器的磁輸入基本有三種情況：單極磁場、雙極磁場和交變磁場 3。本文中主要應(yīng)用單極磁場，即施加磁場的方式是改變磁鐵和集成霍爾開關(guān)之間的距離。通過移動改變二者距離時，移動方向在磁鐵與霍爾開關(guān)的軸心線方向上。當磁鐵和霍爾開關(guān)移近到一定位置，霍爾開關(guān)接通，二者移開一定距離后，霍爾開關(guān)斷開。特性測量結(jié)果因磁鐵形狀和大小的不同而不同。2.3集成霍爾開關(guān)的輸出特性開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖2所示。其中，BOP為工作點“開”的磁感應(yīng)強度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度。圖2 輸出特性當外加的磁感應(yīng)強度超過工作點BOP時，傳感器輸出低電平；當磁感應(yīng)強度降到工作點BOP以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降

6、到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。BOP和BRP之間的滯后使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集成開關(guān)型霍爾傳感器的優(yōu)良特性之一4。2.4集成霍爾開關(guān)的啟動方式集成霍爾開關(guān)的啟動方式一般分為3種5：磁極正對霍爾傳感器接近啟動。當磁極正對傳感器接近時，典型的啟動場強為2040mT，或者有812mm的間距。磁極側(cè)向經(jīng)過霍爾傳感器啟動。當磁極側(cè)向以0.9mm的間距經(jīng)過傳感器時，相當于對傳感器進行一次“開”與“關(guān)”。磁路間斷啟動。當磁極正對霍爾傳感器且間距固定時，若中間無鐵磁性物質(zhì)阻擋，磁路暢通，則傳感器為開；若中間有鐵磁性物質(zhì)阻礙，磁路斷，則傳感器處于關(guān)狀態(tài)。如圖3。圖3磁路變化啟動霍爾傳感器

7、3集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動機啟動按鈕中的應(yīng)用3.1設(shè)計原理設(shè)計裝置如圖4所示。按鈕開關(guān)為自復(fù)位式開關(guān)，按鈕部位采用典型的積木式結(jié)構(gòu)，由按鈕帽、復(fù)位彈簧、橋式觸頭和外殼等組成6，觸頭部位連接一塊磁鐵，另一塊磁鐵與其同極相對相離一定距離放置，兩塊磁鐵處在同一軸心線上。在兩塊磁鐵中央放置一個集成開關(guān)型霍爾傳感器，當按鈕按下，改變傳感器上的磁感應(yīng)強度，傳感器通過相關(guān)電路發(fā)出一個脈沖，該脈沖通過相關(guān)電路，經(jīng)放大升壓后送至點火線圈，于是在點火線圈的次級線圈便產(chǎn)生供發(fā)電機各汽缸火花塞點火用的高電壓。同時，兩塊磁鐵由于相互排斥，按鈕自動彈起回到“off”狀態(tài)，與霍爾元件相連電路也回到初始狀態(tài)。圖4按鈕開

8、關(guān)裝置圖3.2以A44E集成霍爾開關(guān)為例 A44E芯片屬于開關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（4.518V），其輸出的信號符合TTL電平標準，可以直接接到單片機的IO端口上，而且其最高檢測頻率可達到1Mhz。A44E霍爾開關(guān)集成電路應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的磁敏電路，它是由電壓調(diào)整期、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補償電路和集電路開路的輸出及組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出是一個數(shù)字電壓信號7。3.2.1A44E的磁輸入檢測A44E的磁輸入為單極磁場，即施加磁場的方式是改變磁鐵和A44E之間的距離。判定磁鐵極性的方法是：把磁鐵的兩個極分別靠近A4

9、4E正面，當其OUT引腳電平由高變低時即為正確的安裝位置，如圖5所示。圖5A44E判別磁鐵極性經(jīng)過實驗得知，A44E只對磁鐵的S極有響應(yīng)而對N級沒有絲毫響應(yīng)。安裝時一定要讓磁鐵的S極對準A44E的反應(yīng)傳感區(qū)。3.2.2A44E的導(dǎo)通距離測量在集成開關(guān)型霍爾傳感器測量彈簧彈性系數(shù)的試驗中，使用直徑為6.004mm，長度為3.032mm的釹鐵硼磁鋼，測量其特性時，移動集成霍爾開關(guān)，且使移動方向在磁鐵與霍爾開關(guān)的軸心線方向上。實驗測得霍爾開關(guān)導(dǎo)通時磁鐵與霍爾開關(guān)之間距離（工作距離DOP）為7.0mm，霍爾開關(guān)斷開時，二者距離（釋放距離DRP）為8.5mm?？梢?，在用此型號磁鐵時，導(dǎo)通點與釋放點之間的

10、距離值為1.5mm，其它形狀和大小磁鐵的測量結(jié)果略有不同。實驗數(shù)據(jù)附表1。表1 A44E霍爾開關(guān)特性參數(shù)測量數(shù)據(jù)記錄表工作距離Dop/mm釋放距離Drp/mm工作點Bop/mT釋放點Brp/mT7.08.515.110.33.3基于安全考慮的改進啟動信號發(fā)出后，首先由發(fā)動機智能保護系統(tǒng)接收，檢查汽車狀況是否正常，檢查完畢后再傳遞啟動信號給連接發(fā)動機的電路以啟動發(fā)動機。如檢查到車輛已啟動，自動切斷啟動發(fā)動機電源，防止持續(xù)啟動給相關(guān)部件造成損害。按鈕設(shè)置電動鎖，與車門的開閉連接為相關(guān)電路。當系統(tǒng)檢測到車門打開時，車輛處于ACC狀態(tài)，即接通汽車部分電器設(shè)備的電源，如CD、空調(diào)等，此時按鈕為鎖住狀態(tài)，

11、無法施加外力將按鈕按下，并提醒車主將車門關(guān)閉后啟動。4 結(jié)語伴隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在生活中的應(yīng)用越來越普遍。集成開關(guān)型霍爾傳感器具有無觸點磨損、無火花干、擾功耗小、工作頻率高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、抗震動、安裝方便以及通過磁性觸發(fā)、不怕灰塵、油污和鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點。目前，運用按鈕開關(guān)啟動汽車發(fā)動機只在部分高檔車中出現(xiàn)，本文采用低成本、高可靠的開關(guān)型霍爾傳感器，解決了傳統(tǒng)鑰匙式開關(guān)操作復(fù)雜、容易發(fā)生機械故障以及無安全保障等問題，具有方便、快速、美觀、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點。本方案也可在工業(yè)生產(chǎn)操作中實現(xiàn)自動控制，具有廣闊的推廣應(yīng)用價值。參考文獻1 方佩敏

12、.新編傳感器原理、應(yīng)用、電路詳解M.電子工業(yè)出版社，1994.171-176.2 張 欣，陸申龍.新型霍爾傳感器的特性及在測量與控制中的應(yīng)用J.大學(xué)物理，2002，21（10）：28-31.3 成 輝.傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用M.國防工業(yè)出版社，1999.4 張 逸，章 企，陸申龍.集成開關(guān)型霍爾傳感器的特性測量和應(yīng)用J.大學(xué)物理實驗，2000,13(2)：145 Honcywell公司，Milixis公司.集成霍爾傳感器產(chǎn)品說明書R,2000.6 楊黎明.機械零件設(shè)計手冊M.國防工業(yè)出版社，1986.7 楊繼生，劉 芬.霍爾傳感器A44E在車輪測速中的應(yīng)用研究J.電子測量技術(shù)，2009，32(10)：100-102.致謝本文是在雷衍漣老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)心下，由本人獨立完成。從論文的選題、研究框架的