霍尔元件测汽车速度.

霍尔元件测汽车速度. 西安工业大学课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 1 绪论……………………………………………………………………….…..2 1.1目的背景意义……………………………………………..…….……2 1.2发展状况…………………………………………..……………….…2 1.3设计研究内容…………………………………………….…….……4 2 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 分类及选择……………………………………………….….……4 2.1方案分类…………………………………………………….…..……5 2.2方案选择………………………………………………………..….…8 3 系统的基本构成及工作原理………………………………....….9 3.1系统组成………………………………………………………....…..9 3.2系统的主要工作原理………………………………………...…..10 3.3系统软件设计…………………………………………..…….….…14 3.4 AD转换器的选择…………………………………………....…….16 4 安装结构示意图………………………………………….……….…..17 5 结语…………………………………………………………………….……18 参考文献………………………………………………………………….…..19 1 西安工业大学课程设计说明书 1 绪论 1.1目的背景意义 近年来，汽车保有量迅速增加，车辆安全性已成为人们最关心的问题。为了保障人民生命财产安全，政府部门制定了相关的道路交通安全法规，为了满足安全法规和消费者对车辆安全性的要求，厂商采取了多方面措施来改善车辆的安全性能，其中电子技术起了很大的作用。随着现代电子技术的发展，车辆电子化的程度越来越高，车辆传感器成为汽车电子控制系统的重要组成部件，也是车辆电子技术领域研究的核心技术之一。车辆内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感器必须要经受40?,150?的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测车辆运行的有关状态，速度传感器是列车安全行驶的重要设备，它能否稳定工作，将直接影响到车辆的正常运行。 随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。 1.2发展状况 作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术,已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。在现代汽车电子控制中，传感器广泛用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中，传感器的使用数量和技术水平决定了现代车辆控制系统的性能，为汽车性能的改善提供了有力保障。传感 2 西安工业大学课程设计说明书 器是汽车电子控制系统的信息源，是促进汽车高档化、电子化、自动化的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。普通汽车上大约装有10-20只传感器，高级豪华轿车则更多。传感器能及时识别外界和系统本身的变化，对温度、压力、位置、转速、体积流量等信息进行实时、准确的测量，并将信息传递给电脑进行处理，从而实现汽车各系统的电子控制。现代社会对车辆性能的要求越来越高，促使汽车传感器技术不断发展，今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能化和多功能化，开发新材料、新工艺和新型传感器。 汽车车速传感器检测系统设计是一种传感器检测装置。利用车速传感器把检测到的转速信号转变成的电压信号输送给计算机，计算机通过变频器来控制电机速度，利用传感器检测的速度值与规定值进行比较，达到对传感器的检测目的。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的检测技术相比，此种传感器检测装置有结构简单、新颖、易于实现的特点。实践证明在检测，维修范围内都取得了良好的效果，系统具有良好的稳态精度及动态响应性能，检测实用性强、准确度高,具有广阔的应用前景。 据有关统计资料表明，在重大交通事故中，约有40%是由于驾驶员违章超速行驶造成的。理论和实验表明，汽车的制动距离与汽车制动初速度的平方成正比。即制动时汽车的行驶速度越高，汽车的制动距离越大，这是车速越高越容易发生事故的原因。因此，汽车在行驶中，驾驶员根据道路，气候，环境，交通流量状况正常掌握车速，是行车安全的关键。 汽车行驶时，驾驶员可通过主观估计来掌握正确的行驶速度，另一方面也可观察车速里程表的显示来掌握正确的车速。但是因为人对车速的主观估计，往往因外界环境的不同及驾驶员本身的经验不足而造成误差，对车速不能准确估计，另外车速表使用时间长后内部磁场减弱，车轮直径磨损减小等原因也有可能造成误差。为保证行车安全，一般驾驶员要通过车速表来掌握车速。若车速表的指示误差较大，驾驶员就很难准确地掌握车速，因而可能导致交通事故的发生。因此，为了保障行车安全，车速表的指 3 西安工业大学课程设计说明书 示误差被列为汽车安全检测中的必检项部之一 现代汽车上一般都装有发动机控制、自动驾驶、ABS、TRC、自动锁车门、主动式悬架、导向系统、电子仪表等装置,这些装置都需要汽车车速信号。因此,车速传感器的输出信号准确性和稳定性将对这些控制单元产生极大的影响。 1.3设计研究内容 1.3.1国家标准对车速表的规定 在GB 7258-1997《机动车运行安全技术条件》附录A“车速表检验方法”中规定: 1. 车速表检验应在车速表试验台上进行。 2. 将被检测车辆行驶上车速度表试验台并带动试验台滚筒旋 转。当车速表试验台的速度指示值(V2)为40km/h时，读取 被检测车的车速表指示值(V1)，当V1读数在38~48km/h范围 内为合格。 3. 当被检测车车速表指示值(V1)为40km/h时，车速表试验 台上速度指示仪表指示值(V2)在33.3~42.1km/h范围内为合 格。 1.3.2设计要求 适用车型:家用小轿车 测量范围:0~200km/h 测量精度:-15%~+5% 1.3.3车速表的工作原理 1.车速表 是指示汽车行驶速度的仪表，它一般与里程表组合 为一体，又称车速里程表 2.车速表的种类及工作原理 车速表的测量元件种类较多 2 方案分类及选择 4 西安工业大学课程设计说明书 2.1方案分类 2.1.1测速发电机式车速传感器 (图2.1.1.1) 测速发电机是一种永磁发电机，由于制作精密，它能够产生几乎与转速完全成正比的电压信号(见图1-(b)，属于模拟信号)，将它安装在滚筒一端。当滚筒转动时，测速发电机就可以输出与转速成正比的电压。此信号经放大和A/D转换后送入单片机处理。 图2.1.1.1测速发电机式车速传感器 2.1.2光电编码式车速传感器(图2.1.2.1) 它有一个带孔或带齿的编码盘，安装在滚筒的一端并随滚筒转动。有一对由光源和光接收器组 成的光电开关，其中光源一般是发出红外光，光接收器多由光敏三极管和放大电路组成，可将收到的光信号变为电信号。光源和光接收器分别置于编码盘的两侧，并彼此对准。当编码盘转动时，光源发出的光线周期性地被遮住，于是光接收器将收到断续的光信号，并转换成一系列的电脉冲(脉冲信号)，脉冲频率与滚筒转速成正比。将此脉冲信号经过光电隔离等环节之后，也送入单片机处理。 5 西安工业大学课程设计说明书 图2.1.2.1光电编码式车速传感器 2.1.3霍尔元件式车速传感器(图2.1.3.1) 霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差(霍尔电压)。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、 输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 霍尔效应在应用技术中特别重要，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(V)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动。当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走。故路(导体)的两侧, 就会产生电压差。这个就叫“霍尔效应”。其原理图如下图2.1.3.1所示。 6 西安工业大学课程设计说明书 图2.1.3.1霍尔元件式车速传感器 霍尔元件是利用霍尔效应原理。将带齿的圆盘固定在滚筒一端，并随滚筒一起转动，当圆盘的齿未经过磁导板时，有磁场经过霍尔元件，因而感应霍尔电动势。当圆盘的齿经过磁导板时，磁场被短路，霍尔电动势消失，所以霍尔元件可以产生与速度成正比的脉冲信号。此脉冲信号同样经过一定的隔离处理后，送入单片机。以下优点:一是输出信号电压幅值不受转速的影响;二是频率响应高，其幅频响应可高达,相当于车速为时所检测的信号频率;三是抗电磁波干扰能力强。正因为如此，车辆上的车速传感器大都采用霍尔式传感器。如图2.1.3.2。 图2.1.3.2 霍尔式传感器 2.1.4磁电式车速传感器 磁电式传感器与霍尔式传感器是车辆上常用来检测车速和转速的信号。磁电式传感器是利用电磁感应原理工作的，即:当闭合回路中的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，通过改变穿越线圈磁通量的变化率就可以改变感应电动势的变化，而在实际应用过程当中改变穿越线 7 西安工业大学课程设计说明书 圈磁通量的变化率的方式有3种，即移动线圈、移动磁铁或改变磁阻，与之对应的分别称为动圈式磁电传感器、动铁式磁电传感器及磁阻式磁电传感器。而在车辆上应用最广的是磁阻式磁电传感器。下面以磁阻式磁电传感器为例来讲磁电式传感器在车辆上的应用情况。磁阻式磁电传感器在车辆上的应用可以用来检测发动机转速和车轮转速，一般由传感头和齿圈组成，而传感头主要由永磁体、磁极和感应线圈组成。当齿圈的齿隙与传感器的极轴端部相对时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最大，磁阻也最大，通过感应线圈的磁通量最小。而当齿圈的齿顶与传感器的极轴端部相对应时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最小，磁阻也最小，通过感应线圈的磁通量最大。当齿圈随同车轮转动时，齿圈的齿顶和齿隙就交替地与传感器极轴顶部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替变化，在感应线圈中就会感应出交变电动势，其频率与齿圈的齿数和转速成正比。 磁电式轮速传感器结构简单、成本低、工作稳定可靠,几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，缺点是:一是输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测;二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上;三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度范围一般为15km/h,160km/h，今后要求控制速度 260km/h以至更大，显然磁电式轮速传感器很范围扩大到8km/h, 难适应。 2.2方案选择 选择霍尔元件式车速传感器 目前汽车车速传感器多采用霍尔式结构,霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器,具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点。它主要是由特定磁极对数的永久磁铁(一般为4或8对)、霍尔元件、旋转机构及输入/输出插件等组成。其工作原理是当传感器的旋转机构在外驱动作用下旋转时,会带动永久磁铁旋转,穿过霍尔元件的磁场将产生周期性变化,引起霍尔元件输出电压变化,通 8 西安工业大学课程设计说明书 过后续电路处理形成稳定的脉冲电压信号,作为车速传感器的输出信号。 集成化与智能化、高效自动测量、软件计算、图形或数表显示测试结果的测试系统 越来越受到汽车车速传感器生产企业的青睐。文中主要是针对目前常用的霍尔式车速传感器的性能测量而开发的一种综合检测装置。基于成本考虑,利用微处理器的高速计数器端口作为车速传感器的数据采集,利用软件控制实现对采集数据的计算和图形化显示处理。完成的检测装置具有测试精度高、数据通信可靠、图表化的良好用户界面、抗干扰能力强、检测过程简单直观、系统开发成本低等优点,具有较好的推广应用前景。 3 系统的基本构成及工作原理 3.1系统组成 研制的系统主要由硬件部分和软件部分构成。 硬件部分主要由驱动机构、多电压电源、采样保持、采样关键点测量、车速传感器端口、分路选通、通讯接口、处理器、上位机、打印机及系统软件等组成,霍尔式车速传感器检测系统结构框图如图3.1.1所示。 图3.1.1 系统结构框图 9 西安工业大学课程设计说明书 驱动机构主要由变频器控制的磁滞电机带动机械联动机构组成,通过机械联动机构与车速传感器连接,模拟汽车变速箱完成对车速传感器的驱动。多电压电源部分主要是利用三端稳压电源LM317T芯片实现车速传感器不同工作电压的分时供给。采样部分主要是由电压比较器LM339芯片构成的采样保持和关键点采样电路构成。车速传感器端口是模拟汽车电线束插头结构的机械连接器。分路选通控制部分主要是利用8选1模拟开关CD4051芯片通过软件控制分路选通待测传感器,可一次安装分时完成8路传感器信号的测量。处理器采用STC12C5410AD单片机。上位机及打印机选择普通的计算机和打印机。 软件部分主要包括初始化、不同标准电压的切换控制、数据采样控制、计算和分析、图形及数据显示、参数设置、数据维护、电压采样等任务构成。 3.2系统主要工作原理 信号采样电路及采样分析计算 霍尔式车速传感器的电气参数测量主要分为两种方式,一种是利用微处理器AD端口实现对车速传感器的工作电压、输出波形的高电压和低电压的测量;另一种是利用微处理器的可编程计数器阵列PCA模块的上升和下降捕获功能控制输出波形上升沿的10%,90%,下降沿的10%,90%电压时刻的采样,实现特定的采样数据采集,具体采样时刻如图3.2.1所示 图3.2.1 采样时刻 电子控制器微机硬件的作用是:根据电子控制器存储的程序和数据，对发动机(或汽车)传感器输入的各种信息(模拟,数字)进行 10 西安工业大学课程设计说明书 运算、处理、判断。然后输出动作指令，控制各有关执行器进行工作，达到快速、准确、自动地控制发动机(或汽车)工作的目的。若系统中采用硬件较多，则处理信息的速度加快，可改善控制系统的性能，但系统的结构复杂化;若系统中多采用软件替代一些硬件，则可减少电器元件数目，但系统的处理速度减慢，响应度也降低。因而电子控制器合理地选配硬件与软件两者的比例是至关重要的，应按控制系统的具体要求来确定电子控制器的硬件有专用控制微机、电路、输入与输出接口等。即主要是集成电路、电子元件与印刷电路板。如图3.2.2 图3.2.2 电子控制器 从传感器送出的信号有模拟信号和数字信号两种，其中的模拟信号微机不能直接识别与处理，需经过相应的A/D中转换电路将模拟信号转换成数字信号后才能输入微机。输入的模拟信号有吸入空气流量、空气温度、发动机冷却水温度、发动机负荷(转速)、电源电压等多个信号。这几个信号分别经过相应的处理电路后，再经过模,数(A/D)转换器转换之后，才以数字量的形式送入到中央处理器CPU，控制系统采集的数字信号主要是来自转速传感器的转速信号与活塞上止点参考信息，它们都是脉冲信号。这两个信号经过处理电路之后，通过I/O (输入,输出接口电路)接口就可直接送入微机。如图3.2.3 11 西安工业大学课程设计说明书 图3.2.3 AD转换电路 为了提高采样的准确性和判定信号的完整性,本测试系统每次对单工件测量需采集20个数据,即3个电压数据,17个时间数据。 电压采样电路是通过分压电路控制采样输入电压,如图3.2.4所示。 图3.2.4 电压采样电路 其中,ADC0主要实现电源电压的采样,ADC1实现传感器输出信 12 西安工业大学课程设计说明书 号高电压采样,ADC2实现传感器输出信号低电压采样。 输出信号的上升沿和下降沿的特定时刻采样电路主要是通过高电压、低电压保持电路和采样点捕获电路构成。 低电压保持电路如图3.2.5所示。 图3.2.5 低电压保持电路 要利用U1(8选1模拟开关4051)控制分时选择待测量的传感器,经电压比较器LM339N的输出端Q1和Q2,分别控制U2和U3的禁止输出端INH,对输出信号的高低电压进行采样捕获和保持。Q0是某一路传感器的输出信号,当其低于U3A反相端时,Q2输出为低电压,启动U3,VOL对Q0开始放电,当Q0电压超过U3A反相端时,U3关闭,VOL保持当前电压,此电压即为传感器的低电压值。同理,Q0电压低于U3B的同相端电压时,Q1输出为低电压,启动U2,Q0开始对VOH充电,当Q0电压低于U3B时,U2关闭,VOH保持当前电压,此电压即为传感器的高电压值。通过U2的高电压选通和U3的低电压选通,分别实现高电压和低电压采样保持。 采样点捕获电路主要利用传感器输出电势差构成的串联电阻分压,实现10%和90%时刻的电压信号采样,如图3.2.6所示。 13 西安工业大学课程设计说明书 图 3.2.6 采样点捕获电路 当传感器信号Q0电压超过10%时,U3D工作,其输出PCA1产生上升沿信号(10%),触发微处理器捕捉中断PCA1引脚,记录当前定时器的时间值t1,当Q0升高超过90%时,U3C工作,其输出产生上升沿信号(90%),触发微处理器捕捉 中断引脚PCA1,记录当前定时器的时间值t2。同理,下降低于90%和10%时刻,分别产生下降沿捕捉信号,触发定时器的时间值t3和t4。文中检测产品每周输出4个脉冲信号,故需检测17个时间特征点,才可对一个完整的信号周期的参数值进行计算。 按数据的特征,可通过软件实现特定参数的计算: 上升时间:tr=t2-t1 下降时间:tf=t4-t3 周期:T=(t17-t1)/4 占空比=(t3-t2)/T*100% 3.3系统软件设计 对于每周4个脉冲输出的车速传感器检测,主要是通过对不同工作电压条件下的输出信号测量来完成对传感器信号性能的检测, 14 西安工业大学课程设计说明书 并通过上位机以图表的方式提供给操作人员,完成对传感器的性能检测。其系统软件的实现框图如图3.3.1所示。 在进入检测过程时,首先由系统自动选择测试电压,按车速传感器产品的极限工作电压和正常工作电压分别选择高电压16V、低电压8V及正常工作电压12V3种电压模式。在不同的电压模式下,重复高电压、低电压、电源电压检测及输出单路车速传感器信号的每周期信号波形的特征点检测。通过对检测到的各特征点进行分析计算,确定车速传感器的性能参数值,对合格的、不合格或异常的数据利用c语言的面向对象和事件驱动特点实现直观的显示界面。同时,对每组产品的测试数据可按需要控制打印机输出,通过输出的检测数据,可方便工程技术人员对传感器输出信号进行分析计算。 图3.3.1 系统软件的实现框图 15 西安工业大学课程设计说明书 为了提高测试精度,设计中采用了多次测量取均值的方法。经对标准信号源的测量结果比较分析,该检测系统对霍尔式车速传感器的主要特征数据检测精度可在 5%以内,特征数据的漏检率为0,完全可满足霍尔式车速传感器产品测试的要求。 3.4 ad装换器的选择 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。目前仅在单片机初学应用设计中较为常见。 3.4.1主要特性 1)8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2)具有转换起停控制端。 3)转换时间为100μs(时钟为640KHz时)，130μs(时钟为500KHz时)。 4)单个+5V电源供电。 5)模拟输入电压范围0,+5V，不需零点和满刻度校准。 6)工作温度范围为-40,+85摄氏度。 7)低功耗，约15mW。 3.4.2外部特性 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.4.2.1。 下面说明各引脚功能: IN0,IN7:8路模拟量输入端。 2-1,2-8:8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC:3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE:地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。 START: A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换)。 EOC: A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。 OE:数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束 16 西安工业大学课程设计说明书 时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 REF(+)、REF(-):基准电压。 Vcc:电源，单一+5V。 GND:地 图3.4.2.1 ADC0809芯片 4 安装结构示意图 用霍尔元件来检测磁铁的存在而测出汽车的速度，为保证测量的精度需要在码盘上安装8个磁铁，每一个的间隔角度为45度(图4.1)，安装在轿车的前驱动轮上面，前面两个轮子都安装(图4.2)，计算时分别计算出两个轮子的速度最终求出平均值。 17 西安工业大学课程设计说明书 磁铁 图4.1 码盘磁铁安装图 安装位置 图4.2 传感器安装图 5 结语 主要完成了霍尔式车速传感器检测系统的采样电路放大电路 18 西安工业大学课程设计说明书 等硬件模块以及检测系统软件的设计。图表化的直观显示结果兼顾了现场操作人员和工程技术人员的不同需求。实现的检测设备已在地方企业同类产品生产中使用,通过该系统检测的产品,经汽车厂批量装车使用验证,完全能够满足要求 参考文献 [1]董辉.汽车用传感器[M].北京:北京理工大学出版社,2000 [2]李俊松,宋仲康.汽车车速传感器测试系统的开发[J].汽车电器,2002,41(2) [3]郑发农.电子式车速里程表[J].自动化仪表,2000, [4]崔浩,汪激,刘寅.基于计算机控制技术的总线式汽车组合仪表校验系统开发[J].微计算机信息,2007,23(29):206 [5]郭振海.霍尔元件的几种检测方法[J].家用电器,2007,9(2):47 [6]林绍华.霍尔传感器原理及在车速传感器中的应用[J].轻型汽车技术,2003,31(12):1416 [7]田汉波,赵英俊.一种基于线性霍尔传感器的直流电机转速测量方法[J].机械与电子,2007,23(1):3134 [8]李淑华.VB程序设计及应用[M].北京:高等教育出版社,2006 19 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果