《丽教科规办[2011]06号》由会员分享，可在线阅读，更多相关《丽教科规办[2011]06号（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于霍尔式传感器技术的数字式车速表的设计张庆豪摘要：本文设计了由霍尔开关传感器3031T、施密特触发器、移位寄存器74LS16、MCS一8051单片机、LED七段数码管等构成的电子车速表。文中详细介绍了它的基本设计原理及脉冲信号的产生、定时计数、速度数据处理、车速显示等基本操作过程，同时还提供了具体的硬件电路图、元器件选用说明，及有关程序框图。这种电子车速表可以满足不同测速场合下的精度及灵敏度要求，特别适合于发动机后置、变速箱离驾驶室较远的场合。关键词：数字式车速表；霍尔开关器件；单片机。Abstract: This paper designs a Hall 3031T sensor swit
2、ches, and 74LS16 det shift register is a 8051 microcontroller MCS, 7, LED digital electronic speed tube etc. This paper introduces the basic design principle and the pulse signal is produced, regular counting, velocity data processing, such as the basic operation speed, but also provides a specific
3、hardware circuit, components, and the relevant procedure chosen block diagram. This kind of electronic speed table with real-time speed can satisfy different occasions of accuracy and sensitivity requirement, particularly suitable for rear engine, gearbox, far from the cockpit.Keywords: digital spee
4、d； hall switching devices；SCM。前言传统的机械式车速表是由变速箱第二轴输出动力，经驱动蜗轮轴带动软轴方头端同步转动，使与软轴另一端固连的永久磁铁跟着同步转动，从而产生旋转磁场。该磁场作用于转动盘，便使转动盘连同车速表指针发生同向的偏转。当电磁转矩与弹簧产生的阻力矩平衡时，指针偏停留在某一角度上。指针偏转角与车速成正比，因而可用其表示车速。但这种结构的缺陷是明显的，如低速时指针摆动剧烈、测量及显示精度不高等。尤其对发动机后置的车辆，要将车速表指针的偏转动力由变速箱经软轴等传至驾驶室，软轴必然较长，而这种长长的转动软轴设置从结构上来说肯定是一种不利因素。正因为机械式车速
5、表具有以上的缺陷，笔者设计了电子车速表。电子车速表具有实时测速、反应灵敏、精度高、显示清晰直观、结构简洁等特点，特别适合后置发动机、变速箱离驾驶室较远的场合。机械式车速表与电子车速表的比较见表1一、基本设计原理（一）硬件框图由硬件框图(见图1)可看出电子车速表的工作流程：首先是固定于由变速箱第二轴驱动的蜗轮轴转盘上的一对永久磁钢产生旋转磁场，因该磁场的作用，在44E型霍尔开关器件中产生脉冲信号，其频率与车速成正比(对确定的车型，比例常数一定)。接着该脉冲信号经过放大，光隔和整形，送至MCS一8051单片机定时计数。MCS一8051经过数据处理后串行输出三位十进制速度值的字形数据至三片串行输入并
6、行输出的移位寄存器74Ls164。最后由7412164并行输出至三片UD七段数码管显示出速度值的个位、十位及百位。图1 电子车速表硬件框图 （二）霍尔效应及霍尔元件1霍尔效应所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。霍尔效应的原理图如图2所示。 当电流I通过放在磁场中的半导体基片（霍尔元件）且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电
7、流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，这个电压称为霍尔电压UH。霍尔电压UH的高低与通过的电流I和磁场强度B成正比，可用下列公式表示： UH=KHIB式中 KH霍尔元件的灵敏度 I电流 B磁场强度 由上式知霍尔电动势与KH、I、B有关。当I、B大小一定时，KH越大，UH越大。显然，一般希望KH越大越好。 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，此时的霍尔电动势为 UH=KHIBcos由上式可知，当通过的电流I为一定值时，霍尔电压UH与磁场强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。即霍尔电压的大小只与磁场强度大小关而与磁通的变化速率无关。如果所施加的
8、磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电动势。由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得
9、脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。 2霍尔元件基于霍尔效应做成的元件称为霍尔元件。因为乘积灵敏度KH与半导体的电子浓度和霍尔元件厚度成反比，一般都是选择半导体材料做霍尔元件，且厚度选择得越小，KH越高但霍尔元件的机械强度有所下降，且输入、输出电阻增加。因此，霍尔元件不能做得太薄。霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。另外霍尔元件为四端子器件。霍尔元件的特性：霍尔系数（又称霍尔常数）RH 在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度成反比，即UH =RH*I*B/，式中的RH称为霍尔系
10、数，它表示霍尔效应的强弱。 另RH=*即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度） 霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度成反比，即KH=RH/，它通常可以表征霍尔常数。 霍尔额定激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 霍尔最大允许激励电流 霍尔输入电阻 霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔输出电阻 霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔元件的电阻温度系数 在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1时，电阻的相对变化率，用表示，单位为%/。 霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点） 在没有外加磁场和霍尔激励电流为I
11、的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。 霍尔输出电压 在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。 霍尔电压输出比率 霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率 霍尔寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。 霍尔电势温度系数 在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。 热阻Rth 霍尔元件工作时功耗每增加1W，霍尔元件升高的温度值称为它的热阻，它反映了元件散热的难易程度， 单位为： 摄氏度/w。3霍尔
12、式传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力、转速等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。图3 几种霍尔式传感器实物图 （三）定时计数脉冲霍尔传感器产生的信号经过施密特触发器处理后，送至MCS - 8051单片机进行0.1s定时计数。(通过改变定时计数的时间，可调整测速精度及灵敏度。当定时计数的时问为0.1s时，测速反应时间为0.1s) 。首先置位EA及ET，即开放CPU中断和允许定时器T1 中断。然后设置TMOD=15H，即定时器T1按方式1定时，计
13、数器T0 按方式1对外来脉冲计数，T0、T1的运行与否只由TR0、TR 1决定。若TR0 、TR1 为1时，T0、T1 分别进行计数、定时，若TR0 、TR1为0时，则T0、Tl停止计数、定时。因定时=01 s，若晶振选用=6 MHz，则T1 的初值a由式(2)计算得a=15 536，故置初值THl=3CH、TLI=B0H。计数器T0从0开始计数，故置初值T0=0。接着置位TR0 、TR1，即启动计数器T0和定时器T1。于是T0 从0加1计数，TI从3CBOH加1定时。当T 1最高位产生溢出时置T F1=1。向CPU申请中断。CPU响应T1 中断后便进入中断服务程序，并进一步进行数据处理。（四
14、）速度计算在T1中断服务程序中，0 1 s内的脉冲数n由TL0中转入寄存器Rl中(因一般汽车变速箱第二轴实际转速小于=256 rs，故TH0=0，n= TLo值)。则CPU由式(3)即可计算出车速 式中n 01 S内的脉冲数 定时时间(这儿定为01 s)i0 主减速器减速比D 车轮外径mC速度转换常数，其值C= ，可见C值因车型而异（五）显示电路首先由软件实现速度值的以下转换：二进制浮点数小数部分的四舍五人(因这里假定只显示速度值的整数部分，这一步可视要求精度的高低作取舍)；二进制数转换为各位(个位、十位、百位)由BCD码表示的十进制数；最后经查表程序把各位十进制数转换为相对的字形码，通过MC
15、S一8051的串行口按方式0串行送至三片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164，再由74LS164并行输出至三片共阳极LED2、LED1、LED0 半导体数码管七段显示器，分别显示出速度值的百位、十位、个位。这种方式是静态显示，因而所需硬件较少而且用普通的数码管也可获得较高的亮度，成本较低。二、硬件设计（一） 硬件电路图（见图4）图4 硬件电路图（二）霍尔转速传感器的安装传感器在车轮上的安装位置如图5所示。图5 传感器在车轮上的安装位置 霍尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，如下图所示图6 霍尔转速传感器示意图1磁体 2霍尔元件 3齿圈 当齿轮位于图中(a)所
