集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用

1、普通物理實(shí)驗(yàn)C課程論文題 目 集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(zhuān) 業(yè) 物理學(xué)（師范） 年 級(jí) 2011級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 王黎陽(yáng) 指導(dǎo)教師 雷衍漣 論文成績(jī) _ 答辯成績(jī) _2012年12月13日集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用王黎陽(yáng)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(kāi)關(guān)啟動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性差、不方便、容易發(fā)生機(jī)械故障等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器制成的啟動(dòng)式按鈕開(kāi)關(guān)，并采用磁極正對(duì)霍爾傳感器接近啟動(dòng)的啟動(dòng)方式以及單極磁場(chǎng)的磁輸入方式，以A44E型霍爾開(kāi)關(guān)為例應(yīng)用于啟

2、動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了方便、快速、美觀、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：按鈕開(kāi)關(guān)；集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器；A44E型霍爾開(kāi)關(guān)；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；1引言按鈕開(kāi)關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用十分廣泛的主令電器。在電氣自動(dòng)控制電路中，用于手動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)以控制接觸器、繼電器、電磁起動(dòng)器等。按鈕開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)種類(lèi)很多，可完成啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、變速以及互鎖等基本控制。而在啟動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)的鑰匙式按鈕開(kāi)關(guān)操作復(fù)雜，需要鑰匙這一開(kāi)啟工具，且容易造成機(jī)械故障。本文運(yùn)用集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器設(shè)計(jì)了一種新型啟動(dòng)式按鈕開(kāi)關(guān)，采用磁極正對(duì)霍爾傳感器接近啟動(dòng)的啟動(dòng)方式以及單極磁場(chǎng)的磁輸入方式，并以A44E型霍爾開(kāi)關(guān)為例介

3、紹它在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)方便、快速、準(zhǔn)確、安全、美觀等特點(diǎn)。2集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器2.1集成霍爾開(kāi)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(shí)，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(duì)磁場(chǎng)敏感的特性。集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器是把霍爾器件的輸出電壓經(jīng)過(guò)一定的閥值甄別處理和放大，而輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)1。如圖1所示，集成霍爾開(kāi)關(guān)是由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢(shì)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(mén)輸出E五個(gè)基本部分組成。1,2,3代表集成霍爾開(kāi)關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。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(shì)發(fā)生器

4、兩端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處于磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直磁場(chǎng)的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)有一個(gè)霍爾電勢(shì)差VH輸出，該VH信號(hào)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(mén)輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到“工作點(diǎn)”（即BOP）時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓（相對(duì)于低電位），使三極管導(dǎo)通，此時(shí)，OC門(mén)輸出端輸出低電壓，通常稱(chēng)這種狀態(tài)為“開(kāi)”。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到“釋放點(diǎn)”（即RP）時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門(mén)輸出高電壓，這時(shí)稱(chēng)其為“關(guān)”態(tài)。這樣兩次高低電壓變換，使霍爾開(kāi)關(guān)完成一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。常見(jiàn)的霍爾開(kāi)關(guān)有UGN3109、A44E和US58812。2.2集成霍爾開(kāi)關(guān)的輸入

5、特性傳感器的磁輸入基本有三種情況：?jiǎn)螛O磁場(chǎng)、雙極磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng) 3。本文中主要應(yīng)用單極磁場(chǎng)，即施加磁場(chǎng)的方式是改變磁鐵和集成霍爾開(kāi)關(guān)之間的距離。通過(guò)移動(dòng)改變二者距離時(shí)，移動(dòng)方向在磁鐵與霍爾開(kāi)關(guān)的軸心線(xiàn)方向上。當(dāng)磁鐵和霍爾開(kāi)關(guān)移近到一定位置，霍爾開(kāi)關(guān)接通，二者移開(kāi)一定距離后，霍爾開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。特性測(cè)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(kāi)關(guān)的輸出特性開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖2所示。其中，BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖2 輸出特性當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)工作點(diǎn)BOP時(shí)，傳感器輸出低電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到工作點(diǎn)BOP以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降

6、到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健OP和BRP之間的滯后使開(kāi)關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的優(yōu)良特性之一4。2.4集成霍爾開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)方式集成霍爾開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)方式一般分為3種5：磁極正對(duì)霍爾傳感器接近啟動(dòng)。當(dāng)磁極正對(duì)傳感器接近時(shí)，典型的啟動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)為2040mT，或者有812mm的間距。磁極側(cè)向經(jīng)過(guò)霍爾傳感器啟動(dòng)。當(dāng)磁極側(cè)向以0.9mm的間距經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，相當(dāng)于對(duì)傳感器進(jìn)行一次“開(kāi)”與“關(guān)”。磁路間斷啟動(dòng)。當(dāng)磁極正對(duì)霍爾傳感器且間距固定時(shí)，若中間無(wú)鐵磁性物質(zhì)阻擋，磁路暢通，則傳感器為開(kāi)；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(dòng)霍爾傳感器

7、3集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用3.1設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)裝置如圖4所示。按鈕開(kāi)關(guān)為自復(fù)位式開(kāi)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(duì)相離一定距離放置，兩塊磁鐵處在同一軸心線(xiàn)上。在兩塊磁鐵中央放置一個(gè)集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，當(dāng)按鈕按下，改變傳感器上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，傳感器通過(guò)相關(guān)電路發(fā)出一個(gè)脈沖，該脈沖通過(guò)相關(guān)電路，經(jīng)放大升壓后送至點(diǎn)火線(xiàn)圈，于是在點(diǎn)火線(xiàn)圈的次級(jí)線(xiàn)圈便產(chǎn)生供發(fā)電機(jī)各汽缸火花塞點(diǎn)火用的高電壓。同時(shí)，兩塊磁鐵由于相互排斥，按鈕自動(dòng)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(kāi)

8、關(guān)裝置圖3.2以A44E集成霍爾開(kāi)關(guān)為例 A44E芯片屬于開(kāi)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(hào)符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機(jī)的IO端口上，而且其最高檢測(cè)頻率可達(dá)到1Mhz。A44E霍爾開(kāi)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(bǔ)償電路和集電路開(kāi)路的輸出及組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)7。3.2.1A44E的磁輸入檢測(cè)A44E的磁輸入為單極磁場(chǎng)，即施加磁場(chǎng)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(gè)極分別靠近A4

9、4E正面，當(dāng)其OUT引腳電平由高變低時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)得知，A44E只對(duì)磁鐵的S極有響應(yīng)而對(duì)N級(jí)沒(méi)有絲毫響應(yīng)。安裝時(shí)一定要讓磁鐵的S極對(duì)準(zhǔn)A44E的反應(yīng)傳感區(qū)。3.2.2A44E的導(dǎo)通距離測(cè)量在集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器測(cè)量彈簧彈性系數(shù)的試驗(yàn)中，使用直徑為6.004mm，長(zhǎng)度為3.032mm的釹鐵硼磁鋼，測(cè)量其特性時(shí)，移動(dòng)集成霍爾開(kāi)關(guān)，且使移動(dòng)方向在磁鐵與霍爾開(kāi)關(guān)的軸心線(xiàn)方向上。實(shí)驗(yàn)測(cè)得霍爾開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)磁鐵與霍爾開(kāi)關(guān)之間距離（工作距離DOP）為7.0mm，霍爾開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，二者距離（釋放距離DRP）為8.5mm?？梢?jiàn)，在用此型號(hào)磁鐵時(shí)，導(dǎo)通點(diǎn)與釋放點(diǎn)之間的

10、距離值為1.5mm，其它形狀和大小磁鐵的測(cè)量結(jié)果略有不同。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)附表1。表1 A44E霍爾開(kāi)關(guān)特性參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表工作距離Dop/mm釋放距離Drp/mm工作點(diǎn)Bop/mT釋放點(diǎn)Brp/mT7.08.515.110.33.3基于安全考慮的改進(jìn)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，首先由發(fā)動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)接收，檢查汽車(chē)狀況是否正常，檢查完畢后再傳遞啟動(dòng)信號(hào)給連接發(fā)動(dòng)機(jī)的電路以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。如檢查到車(chē)輛已啟動(dòng)，自動(dòng)切斷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電源，防止持續(xù)啟動(dòng)給相關(guān)部件造成損害。按鈕設(shè)置電動(dòng)鎖，與車(chē)門(mén)的開(kāi)閉連接為相關(guān)電路。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，車(chē)輛處于ACC狀態(tài)，即接通汽車(chē)部分電器設(shè)備的電源，如CD、空調(diào)等，此時(shí)按鈕為鎖住狀態(tài)，

11、無(wú)法施加外力將按鈕按下，并提醒車(chē)主將車(chē)門(mén)關(guān)閉后啟動(dòng)。4 結(jié)語(yǔ)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(lái)越普遍。集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器具有無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干、擾功耗小、工作頻率高、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、抗震動(dòng)、安裝方便以及通過(guò)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(diǎn)。目前，運(yùn)用按鈕開(kāi)關(guān)啟動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)只在部分高檔車(chē)中出現(xiàn)，本文采用低成本、高可靠的開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，解決了傳統(tǒng)鑰匙式開(kāi)關(guān)操作復(fù)雜、容易發(fā)生機(jī)械故障以及無(wú)安全保障等問(wèn)題，具有方便、快速、美觀、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。本方案也可在工業(yè)生產(chǎn)操作中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)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(cè)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(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用M.國(guó)防工業(yè)出版社，1999.4 張 逸，章 企，陸申龍.集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性測(cè)量和應(yīng)用J.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2000,13(2)：145 Honcywell公司，Milixis公司.集成霍爾傳感器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)R,2000.6 楊黎明.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)M.國(guó)防工業(yè)出版社，1986.7 楊繼生，劉 芬.霍爾傳感器A44E在車(chē)輪測(cè)速中的應(yīng)用研究J.電子測(cè)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(dú)立完成。從論文的選題、研究框架的