传感器课程设计--论霍尔传感器的应用.doc

传感器原理与传感器技术 期中考核 课题名称：论霍尔传感器的应用 姓 名： * 学 号： 学 院： 班 级： 自评等级：优 良 及格 目 录1 概述11.1 引言11.2 传感器未来的发展趋势.11.3 传感器在汽车电子中的应用.12 霍尔传感器的基本原理.2 2.1 关于霍尔原理的解释.22.1.2 霍尔效应的定义.22.1.3 霍尔效应的解释.32.2 霍尔传感器的构成及分类.32.3 霍尔传感器的应用.33 霍尔传感器在汽车电子系统中的应用.43.1 霍尔传感器在汽车测速中的应用.43.1.1 工作磁体的设置.43.1.2 工作原理.43.2 霍尔传感器在防抱死制动系统(ABS)中的应用.43.2.1 ABS的工作模式及结构形式.53.2.2 ABS的工作原理.53.3 霍尔传感器在点火系统中的应用.64 霍尔传感器测速设计.74.1 系统总设计要求.74.2 总体硬件设计.74.2.1 硬件流程图.74.2.2 硬件电路设计.84.3 软件设计.94.4 系统的仿真.105 总 结.12 参考文献.12I 论霍尔传感器的应用 姓名：边俊 班级：自动化3班 学号：P111813891 1 概述 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 传感器未来的发展趋势由于传感器在市场需求很大和它在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。传感器的具体发展方向可以主要概括为以下几个方面：（1）在传感器的原理上，利用新材料生产新型传感器。（2）开发多功能化的传感器，主要是可将放大、整形、补偿等外围电路一体化的集成化传感器和智能小型传感器。（3）开发数字输出型传感器，随时能与微机相连。（4）实现传感器控制信号直接显示，这种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。1.3 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，汽车传感器也越来越先进。汽车霍尔电子控制装置的应用也越来越广泛，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。它利用传感器监测汽车有关工作状况，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，从而使汽车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霍尔传感器的基本原理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，称为霍尔效应。2.1.2 霍尔效应的解释如图2-1所示，置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，给导体通以电流I，导电板中的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。此时电子除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。而外侧面积累正电荷从而形成附加内电场，称霍尔电场，该电场强度为 （2-2）式中：表示电势差。霍尔电场的出现，使自由电子除了受到洛伦兹力的作用外还受到电场力的作用，此力阻止电荷继续积累，随着内外侧积累电荷的增加，电场增强，电子所受到的电场力也增大。当增大到与洛伦兹力相等时达到平衡（两个力方向相反），电荷不再积累。 （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，则产生的电流为（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，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的。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 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用十分广泛。线性霍尔传感器主要是用于一些物理量的测量，比如对电流和位移的测量。开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。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，对测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。本设计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，如图3-1所示。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时，磁力线比较分散，测得场强比较弱。如果某一齿正对霍尔传感器时，穿过的磁力线比较多，场强较大。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。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输入机车中的小型微机中，微机对所接受到的脉冲信号进行计算处理，得出当前速度值，并通过LCD显示当前速度，如果速度高于上限的话，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：1、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。2、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。3、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。4、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。3.2.1 ABS的工作模式及结构形式一个ABS系统包括三个部分，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3-2 ABS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电子控制单元内部不断重复工作，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。3.2.2 ABS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，控制器不断接收来自车速齿轮传感器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、甩尾的目的，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，是ABS中的关键部件之一。图3-3 ABS气动工作原理3.3 霍尔传感器在点火系统中的应用霍尔式电子点火器与传统的点火器不同，具有点火能量高、高速点火可靠、故障率低、耗油少等优点。霍尔式电子点火系统主要由点火信号传感器、电子点火控制器组件、点火开关和蓄电池等组成，如图3-4所示。霍尔传感器在点火中的工作原理：永久磁铁的磁力线可穿过空气间隙垂直进入霍尔元件，也可由叶片遮挡而不进入霍尔元件。霍尔传感器安装在分电器内，霍尔元件和永久磁铁组件安装在分电器的底板上，带缺口的转子安装在分电器器轴上，其叶片与分火头制为一体，由分电器驱动，叶片数与发动机汽缸数相等。发动机工作时，转子随分电器轴旋转，其边缘在霍尔元件与永久磁铁之间穿过。分电器工作时，叶片随分电器轴转动，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙时，霍尔集成块中的磁场即被触发叶轮的叶片旁路(或称隔磁)，这时霍尔元件不产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于截止状态，信号发生器输出高电位。当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过霍尔集成块经导板构成回路，这时霍尔元件产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于导通状态，信号发生器输出低电位。分电器轴转一圈，输出4个方波。触发叶轮的转向从上向下看时是顺时针方向。当叶轮缺口的后边缘转动使磁极端面只露一半时，信号输出端的电压瞬间从低电位跳到高电位，此时就是点火时刻。霍尔点火器与信号发生器通过二线插头相联接，当信号输出端把信号输入到点火控制器后，经过其内部电路处理，控制一只大功率三极管，进而控制点火线圈，使点火线圈高压输出端输出高压脉冲到火花塞点火。图3-4霍尔式汽车点火器系统组成 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在电机预定的位置上，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 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。4.2.1 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，最后用液晶显示器1602显示的机车转速的方法，系统硬件原理图如图4-1所示。图4-1系统硬件流程图4.2.2 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4.3 软件设计（1） 软件设计流程图如图4-5所示 图4-5主程序流程图（2）程序设计流程电机转速测量需要经过的4个基本步骤：1是控制方式；2是确定计数方式；3是信号输入方式；4是计数值的读取；通过AT89C2051，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。 霍尔传感器脉冲信号连到引脚。计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。输出的电压信号保持同单片机AT89C51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。主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。本系统采用89C2051中的中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（4-1）可计算出电机的转速。当电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得电机旋转的速度。电机转速计算公式： （4-1）其中：n为直流电机转速，N为栅格数，N1为T0中断次数，m为在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。4.4 系统的仿真（1）仿真软件准备就绪如图4-6所示。图4-6软件启动（2）电机缓慢转动时如图4-7所示。图4-7电机慢速转动（3）电机快速转动时如图4-8所示。图4-8电机快速转动（4）仿真说明 将所用的程序和画好的电路图放入仿真软件中，启动软件，在图中0处输入模拟的脉冲信号，当脉冲变化幅度较大时代表电机快速转动，相反脉冲信号变化幅度比较小时代表电机慢速转动。当输入大幅度变化的脉冲信号时出现图4-8的结果，输入变化幅度小的脉冲信号时出现图4-7的结果，说明仿真结果的正确性。 5 总结 本文介绍了霍尔传感器的基本原理及测速原理，设计了基于单片机AT89C2051的电机转速测量系统。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。对于采用霍尔传感