一種基于霍爾傳感器的車輛行程及速度測量系統(tǒng)

袁野

(重慶大學(xué)自動化學(xué)院,重慶 400000)

一種基于霍爾傳感器的車輛行程及速度測量系統(tǒng)

袁野

(重慶大學(xué)自動化學(xué)院,重慶 400000)

汽車已成為人們?nèi)债a(chǎn)生活中必不可少的出行方式之一。車輛行駛狀況的測量關(guān)系到行車成本、安全等諸多方面。本文基于89C51單片機(jī)、霍爾傳感器和液晶顯示器設(shè)計(jì)了一款車輛行程及速度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)中用玩具車輪代替實(shí)際車輪,在其上安裝磁性物質(zhì),如很小的磁鐵,磁性物質(zhì)每通過霍爾傳感器一次就產(chǎn)生一個脈沖,通過對脈沖信號計(jì)數(shù),則可計(jì)算出車輛行駛里程及車速,并顯示在液晶顯示器上。本系統(tǒng)原理簡單可靠,維護(hù)成本較低,可以在實(shí)際中推廣。

霍爾傳感器 脈沖計(jì)數(shù) 行程測量 車速測量 單片機(jī)

1 引言

小到當(dāng)前各種智能車的控制，大到生產(chǎn)生活中各種車輛的運(yùn)輸成本優(yōu)化及安全保證，車輛行程及車速的測量都發(fā)揮著很重要的作用。

當(dāng)前普遍使用光電編碼器來測量行程和車速，其原理是：將一圓盤與車輪同軸相連，圓盤上帶有一定數(shù)量且按規(guī)律分布的孔洞，光源和接收裝置分別置于圓盤兩側(cè)，工作時光源一直發(fā)出直線光束，由于孔洞的移動，接收裝置按一定頻率接收到光信號，通過計(jì)算頻率可得到車速等信息。但是由于塵埃的影響或光源與接收裝置相對位置的變換很容易導(dǎo)致測量結(jié)果的錯誤，甚至得不到結(jié)果。本文中的車輛行程及車速測量系統(tǒng)在具有光電編碼器全部優(yōu)點(diǎn)的前提下，同時克服了它的不足。磁信號的傳輸不受塵埃的影響，相對位置的微小變化也不會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，應(yīng)用范圍廣闊。

2 系統(tǒng)原理：

2.1 霍爾傳感器工作原理

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 ，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 的霍爾電壓。

將霍爾效應(yīng)與集成電路相結(jié)合，即可得到霍爾傳感器。如圖1左邊所示，當(dāng)霍爾傳感器的磁接觸面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到時，傳感器輸出電壓將由低電平轉(zhuǎn)換為高電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度回落到時，輸出電壓又由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化較快時，傳感器輸出電壓就相當(dāng)于一個脈沖信號，如圖1右邊所示。

2.2 脈沖計(jì)數(shù)原理

在輪子的邊沿處貼上磁性物質(zhì)，將車輪轉(zhuǎn)軸與霍爾傳感器磁接觸面的相對位置固定，如圖2所示。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時，磁性物質(zhì)周期性地經(jīng)過霍爾傳感器的磁接觸面，傳感器的輸出電壓信號就會呈現(xiàn)出如圖1右邊的脈沖信號。對這些脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)時。車輛行駛的里程數(shù)就是單片機(jī)接收到的脈沖數(shù)與車輪周長的乘積，車速就是行程與計(jì)時時間的商。

圖1 霍爾傳感器磁電效應(yīng)

圖2霍爾傳感器安裝示意圖

圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

3 車輛行程及車速測量算法

這里假設(shè)的時間 是指整個行車過程的總時間，用它可求出整個過程的平均速度為

但是我們常常更關(guān)注的是行車過程中的瞬時速度。此處可以使用單片機(jī)定時，獲得該段時間內(nèi)的脈沖數(shù)，依照上述方法可得出瞬時速度。在車輪上只有一處磁性物質(zhì)的條件下，當(dāng)車輪沒有完整轉(zhuǎn)動一圈時，傳感器就會少產(chǎn)生一個脈沖信號，進(jìn)而引起誤差，此時的最大誤差為；車輪上有兩處磁性物質(zhì)時，最大誤差為；車輪上有三處磁性物質(zhì)時，最大誤差為；以此類推，可得車輪上有個磁性物質(zhì)時，行程測量誤差和速度誤差分別為

4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由兩部分組成，一是位于車輪上的磁性物質(zhì)以及與車輪相對位置保持不變的霍爾傳感器磁接觸面；二是用于數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)和液晶顯示器部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖3所示。

車輪轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器磁接觸面感應(yīng)到磁場的周期變化，輸出脈沖信號。單片機(jī)對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，算出單位時間內(nèi)的速度，整個行車過程中的平均速度，以及行車路程。4*4的編碼鍵盤用于一些簡單的命令的輸入，例如該系統(tǒng)的啟停操作、數(shù)據(jù)清零或數(shù)據(jù)備份等等。

5 結(jié)語

本文介紹的車輛行程及速度測量系統(tǒng)具有原理簡單、工作穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確、操作簡潔、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。從小的方面看，以“飛思卡爾”智能車比賽為代表的許多智能車的控制需要速度反饋，當(dāng)前普遍采用的是光電編碼的形式，實(shí)際上車輛行程及速度測量系統(tǒng)完全能夠取代光電編碼。從大的方面來說，我們?nèi)粘Ｉ钪械某鲎廛囉?jì)費(fèi)系統(tǒng)也可以采用霍爾傳感器的方式來進(jìn)行計(jì)費(fèi)。綜上所述，本文介紹的車輛行程及速度測量系統(tǒng)具有十分廣泛的應(yīng)用場景。

[1]黃勤.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2]陳棣湘,潘孟春,羅飛路等.基于霍爾傳感器的高準(zhǔn)確度磁場測量方法[J].傳感器技術(shù),2004,23(2)：59—61.