汽车电子工业中传感器的应用研究.docx
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汽车电子工业中传感器的应用研究
教学单位电子电气工程学院
学生学号201195014073
编号DQ2015DQ073
本科毕业设计
题 目汽车电子工业中传感器的应用研究
学生姓名 李志杰
专业名称 电气工程及其自动化
指导教师 韩芝侠
2015年5月15日
目录
一、设计正文
（1）
二、附录
（1）
1.设计开题（21）
2.设计结题报告（22）
3.成绩评定及答辩报告表（23）
摘要：
传感器在汽车中的应用非常重要，有了它，汽车变得不仅仅是一辆会行驶的铁皮，而是有感应的更智能的交通工具。
汽车传感器的技术水平代表了这辆车的电子化技术水平，它是研究汽车电子技术的核心部分。
一辆豪华的的高配轿车一般装有几百只各种类型的传感器，而一辆普通的低配汽车上只有几十个传感器，由此可见，传感器的数量和性能代表着现代汽车电子系统的性能。
汽车上的传感器技术目前在国内外已经获得了高度重视，汽车的智能化电子化技术越发达，就越依赖传感器的技术水平。
本文就传感器在汽车上的应用技术进行了较全面的讨论，对汽车传感器进行了简要概括，包括它的作用和分类的介绍，并针对传感器在汽车上不同功能的应用了进行了简单原理的介绍。
而本文的主要内容是介绍了三种应用在汽车上的传感器：
发动机传感器、测速传感器和红外反射式雨量传感器。
其中对于发动机传感器进行了简单的介绍，对基于磁敏传感器的测速装置进行了简单的设计，包括它的基本工作原理和结构组成。
而对红外反射式雨量传感器的设计进行了较详细的研究，包括其工作原理，光路结构的设计和硬件电路的设计。
关键词：
汽车发动机传感器；测速传感器；红外反射式雨量传感器；TK1838；PIC16F87
Applicationresearchonnewtypeofsensorinautomotiveelectronicsindustry
AbstractSensorsinthecarisveryimportant,withit,thecarwillbecomenotjustatraveliron,butamoreintelligentvehiclesinduction.Automotivesensortechnologyrepresentsthecar'selectronictechnicallevel,itisacorepartofresearchautomotiveelectronictechnology.Highwithaluxurycarequippedwithhundredsofshipsofvarioustypesofsensors,butonanordinarylowwithonlyafewdozencarssensor,itshowsthatthenumberandperformanceofthesensorrepresentsamodernautomotiveelectronicsystemsperformance.Sensortechnologyiscurrentlyinthecarhasreceivedgreatattentionathomeandabroad,thecar'sintelligentelectronictechnologymoredeveloped,themoredependentontechnologylevelsensors.
Thisarticledescribestheapplicationofsensortechnologyinthecarforamorecomprehensivediscussionofautomotivesensorsarebrieflysummarized,includingtheintroductionofitsroleandclassification,andsensorsforautomotiveapplicationsinthedifferentfunctionsofasimpleprinciple.Themaincontentofthispaperistointroducethethreesensorsinautomotiveapplications:
anenginesensor,speedsensorandaninfraredreflectiverainsensor.Whereintheenginesensorsforasimpleintroduction,basedonthespeedofmagneticsensordeviceforasimpledesign,includingitsbasicprincipleandstructure.Thedesignreflectedinfraredrainsensorforamoredetailedstudy,includingitsworkingprinciple,theopticalstructuredesignandhardwaredesign.
Keywords：
Thesensor;Automobileenginesensor;Speedsensor;Theinfraredreflectionsensor；TK1838；PIC16F87
目录
1绪论
（1）
1.1课题研究的背景及意义
（1）
1.2汽车传感器的概述
（1）
1.2.1汽车传感器的作用
（1）
1.2.2汽车传感器的分类
（2）
2汽车发动机传感器（4）
2.1发动机温度传感器（4）
2.2发动机压力传感器（4）
2.3发动机流量传感器（4）
2.4发动机位置和转速传感器（5）
2.5发动机爆震传感器（5）
3汽车测速传感器（6）
3.1磁敏传感器的简介（6）
3.2磁敏传感器的基本原理（6）
3.3磁敏传感器的基本组成（6）
4汽车雨量传感器（7）
4.1红外反射式雨量传感器的简介（7）
4.2红外反射式雨量传感器的工作原理（8）
4.3红外反射式雨量传感器的探测光路（9）
4.4红外反射式雨量传感器的设计（9）
4.4.1红外发射电路（10）
4.4.2红外接收电路（11）
4.4.3PIC16F87单片机介绍（11）
4.4.4PIC单片机控制电路（12）
5其他传感器的应用（14）
5.1酒精检测（14）
5.2胎压检测（14）
5.3悬架用传感器（14）
5.4系统传感器（14）
5.5ABS传感器（14）
6汽车传感器的发展趋势（16）
结语（17）
参考文献（18）
谢辞（19）
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
汽车传感器是汽车行业电子系统中的最重要的部分，是研究汽车电子技术的关键核心，代表了汽车电子化自动化程度的高低。
伴随着社会科技水平的不断提升，汽车对传感器技术水平的要求也会日益提高。
汽车上的传感器大多安置在汽车的底盘系统、车身系统、发动机控制系统和导航系统中。
一辆豪华的的高配轿车一般装有几百只各种类型的传感器，而一辆普通的低配汽车上只有几十个传感器，由此可见，传感器的数量和性能代表着现代汽车电子系统的性能。
传感器在汽车上的应用技术已经被国内外高度重视，汽车的只能化电子化技术越发达，就越依赖传感器。
传统的老式车用传感器在汽车上的应用都非常局限，它们体积笨重，成本还高，故障率高，使用起来也不方便。
现如今，微电子技术水平越来越成熟，它是基于半导体集成电路技术发展起来的新型技术。
基于微电子技术的新型传感器是目前发展最迅速最成功的且最实用的微电子产品，这些微型传感器的面积大多在1mm2以下，比如微型磁场传感器、微型温度传感器、微型气体传感器等等[1]。
它们都有体积小，使用灵活，功能强大、便于大批量成产，成本低等特点，能够实现许多传统的传感器实现不了的全新的功能，它们成产精度高，易形成大规模和多功能阵列生产，非常适合应用在汽车领域，有着广阔的发展前景。
1.2汽车传感器的概述
1.2.1汽车传感器的作用
传感器是一种实现检测功能的装置，是自动检测控制系统中的重要部分，它能把外界非电信息，以一定的形式转换成可用的电信号输出，它一般由敏感器、传感元件和转换电路构成[2]。
传感器应用在汽车上是用来检测车辆各个部分的状态信号，它是车辆电子控制系统的信号输入装置，能够将外界环境、车速、发动机性能等汽车运行中各个部分的信息实时反馈给驾驶员或者转化成电信号送到计算机进行处理器，再对车辆的各个参数进行调整，让汽车处于安全的运转状态。
汽车传感器能够对各种类型的非电信号进行及时检测反馈和控制。
因为汽车内的信号种类复杂繁多，汽车传感器必须要稳定，能够在-40℃～+150℃的温度区间内正常工作，并要有良好的抗干扰和抗震动能力，精度高，响应迅速，不易算坏，可靠性好。
1.2.2汽车传感器的分类
1.按构成原理分类
传感器若按照构成原理分类，可分为两种类型即物理型和结构型。
物理型在汽车上应用的传感器比如温度传感器，它会根据被测对象的温度的大小自动反馈一个电信号即调整输出回路的电阻值控制向外输出电流信号，给输出回路提供电源。
结构型传感器则采用传感器内部结构变化实现信号转换，比如电容式传感器和电感式传感器等。
2.按信号转换关系分类
传感器若按信号转换关系分类，可分为：
由电量信号转换成非电量信号的传感器，和由非电量信号转换成电量信号的传感器，比如弹性敏感元件和气动传感器等属于前者类型；而热电耦温度传感器、压电式加速度传感器等属于后者类型。
3.按输出信号性质分类
传感器按输出信号的性质分类，可分为输出模拟信号传感器和输出数字信号传感器[3]。
4.按使用功能分类
传感器按其在汽车上的使用功能分类可分为两类：
一类如温度、车速、发动机转速等能反馈给驾驶员汽车状态的各个参数的传感器；另一类是能自动控制汽车部分功能的传感器状态，如控制车轮转速、邮箱温度与倒车紧急制动等。
5.按输入量不同分类:
传感器按输入量的类型分类可分为位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、压力、真空度、温度、电流、气体成分和浓度传感器等。
6.按工作原理分类：
传感器按工作原理分类，有电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式、压电式和热电式传感器等。
7.按被测对象分类：
按传感器的被测量对象――输入信号分类，能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户选用。
按这种分类方法，传感器可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。
生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。
同时，这种方法还将种类繁多的物理量分为两大类，即基本量和派生量。
例如，将“力”视为基本物理量，可派生出压力、重量、应力、力矩等派生物理量，当我们需要测量这些派生物理量时，只要采用基本物理量传感器就可以了。
8.按构成传感器的功能材料分类
按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等。
9.按某种高新技术命名的传感器分类
有些传感器是根据某种高新技术命名的，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。
2汽车发动机传感器
发动机上的传感器能够反应发动机的实时工作状况，以便让相关系统对发动机进行及时有效的控制，发动机传感器种类复杂，能控制温度、油量从而减少发动机事故的发生率。
2.1发动机温度传感器
汽车发动机温度传感器用于检测发动机温度、排气温度、冷却水温度以及油温。
它们各有各的优点，工作的场合也不尽相同。
绕线电阻式温度传感器精确度很高，无奈响应特性较差；热偶电阻式温度传感器测量范围很广，但还需配合放大器和冷锻处理一同工作。
热敏电阻式温度传感器能有效的检测温度，适应温度变化程度高，但能检测温度的范围比较小，适用于温度变化非极限的场合。
通用型的温度测量范围为负五十度到三十度，测量精度为百分之一点五，响应时间为十毫秒；高温型的温度测量范围为六XX到一千度，测量精度百分之五，响应时间是十毫秒。
2.2发动机压力传感器
汽车压力传感器通常用于将流体压力的检测中的气囊的气体压力，燃料压力，发动机油压力，进气和排气管的压力，传输系统，空气过滤等中的流体压力。
电容式压力传感器，主要用于检测负压、液压、气压，测量范围为20kPa～100kPa；压阻式压力传感器的性能易受温度的干扰，但它易于大批量生产；差动变压器式压力传感器通常用于数字输出，其输出量较大，但其抗干扰性差；声表面波式压力传感器常用于汽车吸气阀压力检测，它能够适应高温的环境，并且有体积小、重量小、功耗低、灵敏性高、分辨率高、可靠性强的特点。
2.3发动机流量传感器
流量传感器通常是测量发动机内的空气流量和燃油流量。
空气流量可以测量燃烧条件、起动、点火等。
空气流量传感器能够检测到空气流量的大小，将信号转换成电信号送给发动机的控制单元。
空气流量传感器分为旋转翼片式、卡门涡旋式、热线式、热膜式等多种类型，它们的主要性能指标包括：
工作范围为零点一一立方米每分钟到一百零三立方米每分钟之间，工作温度范围为负四十度到一百二十度之间，精度大于百分之一。
燃料流量传感器的工作温度范围为负四十度到一百二十度之间，精度为正负百分之一，响应时间小于十毫秒。
2.4发动机位置和转速传感器
汽车转速传感器主要是给驾驶员提供发动机转速的信号，为点火和喷油的时间点给驾驶员提供参考。
它的其测量范围一般是零度到三百六十度，精度小于正负零点五度。
车速传感器种类繁多，当汽车行驶速度高于一百公里每小时时，测量误差会增大，这就需要采用非接触式光电速度传感器，它的测速范围广，通常为五百米每小时到二百五十公里每小时，重复精度为百分之零点一，距离测量误为百分之零点三。
2.5发动机爆震传感器
爆震传感器通过控制调整点火提前时间以避免发动机发生的爆震事故，它用来检测汽车发动机的振动。
检测爆震通过检测压力、发动机汽车压力等来进行。
爆震传感器分为磁致伸缩式和压电式[4]。
磁致伸缩式爆震传感器的工作温度为零下25度到一百四十度，范围在五千到十千赫的频率Hz；压电爆震传感器的中心频率在五千四百七十一赫兹，灵敏度可达到200毫伏/克，在零点一克至十克的范围内幅值线性度好[5]。
3汽车测速传感器
3.1磁敏传感器的简介
磁敏传感器作为这种新型测速装置的核心测速部分。
可以固定在被测的交通道路上也可设计成便携移动的装置，根据实际需求安置在需要进行测速的地段。
该检测装置是基于被动检测的原理，和雷达、激光、声波等主动测速的原理不一样，它具有非常好的隐蔽性，不易被“电子狗”等侦查装置侦察到[6]。
不只是汽车，只有是带有磁性的移动物体例如火车、轮船、电动车的移动速度等都可以用它来检测，由此可见，其应用前景非常广大，实用价值也非常高。
3.2磁敏传感器的基本原理
原理图如图1所示，两个磁敏传感器平行于道路方向安置在道路一侧，距离为x。
当有附近汽车驶过时，磁敏传感器会检测到汽车底盘、骨架、轮毂等含铁磁材料的磁场强度的信号，因为是两个传感器，存在前后接收到的时间差。
而两个传感器间的距离x不变，通过计算可得到驶过车辆的速度v=x/t。
图1磁敏测速传感器原理图
3.3磁敏传感器的基本组成
测速装置结构框图如图2所示。
因为磁敏传感器的输出的电流信号非常弱，通常是几毫伏大小，而且带有干扰杂波，所以单片机在接收到信号之前必须要经过放大电路将信号放大，且还要经过滤波电路将干扰杂波滤掉[7-8]。
该装置设计了多级放大电路，且带有滤波环节，能够实现上述的功能，经放大和滤波得到的是电压信号，以供单片机接收处理，再转换成数字信号，放大倍数能达到三千倍，数字信号再经过射频发送至下一级设备，进行采样和相关计算分析后，将测到的速度结果直观的反馈给人们。
该磁敏测速传感器测速精度高，误差小，原理简单，抗干扰能力强，应用前景非常好。
图2测速装置结构框图
4汽车雨量传感器
4.1红外反射式雨量传感器的简介
车用雨量传感器可以智能的检测降雨量的强度。
它利用了先进的光学传感技术，模式识别技术，各种预测算法和模拟信号的处理技术，对雨量的大小进行实时性的智能检测，并对测量结果进行经过分析处理，输出最佳的系统工作状态。
雨量传感器间接控制汽车的雨刮动作，能够在雨天依然保持汽车挡风玻璃的干燥，提高了雨天驾驶员的可见度，使驾驶员能够安心地驾驶车辆，大大提高了驾驶的舒适度和安全性，免去了车辆发生事故的隐患。
红外反射是目前雨量传感器新型的也是主要的工作方式。
红外光的辐射规律同一般可见光的规律基本相同，但还有一些独有的特殊规律，即是，两个物体吸收能量的能力不一样，发射能量的能力也不一样。
发射能力较强的物体的接收能量的能力也一定强，同样，吸收能量较强的物体的发射能量的能力也会强。
一般情况下，红外光射到物体的表面上时，会发生三种现象，透射、反射、和吸收，即入射光强度的一部分被物体吸收，一部分被透射，最后一部分被发射。
红外反射式雨量传感器就是基于上述这三种特性的原理进行研发的。
一个用来发射能直线传播的红外光光源，一个能接收反射回的红外光接收器，一个用来放大红外发射强度的装置和一个能对红外光信号进行处理的装置，这些就构成了一套完整的红外反射式雨量传感器[9-10]。
红外散射式雨量传感器通常安置在汽车挡风玻璃的使内一侧，向玻璃的室外侧发射红外光。
它抗干扰能力强，不容易受到电磁干扰，温度的变化等外界环境的影响。
4.2红外反射式雨量传感器的工作原理
红外反射式雨量传感器的结构主要由光学部分、电路部分、机械部分构成。
光学部分是能够让光束穿透过挡风玻璃的光学器件。
电路部分主要是能根据接受到的光学信号进行处理，并转换成电信号，对雨刷的电机进行控制，从而调节雨刷的刮行速度[11]。
机械部分就是雨刷的外形和结构工艺。
红外雨量传感器的基本工作原理就是由光源发出的红外光射到挡风玻璃上，如果玻璃上有雨，则电路部分会根据反射信号控制是否启动雨刷电机，雨量大则雨刷刮动快，雨量小雨刷刮动则慢。
（a）无雨时
（b）有雨时
图3红外雨量传感器工作原理图
红外反射雨量传感器安置在车前后视镜附近，在挡风玻璃的使内侧。
它的发射部分发射红外光射到挡风玻璃上发生反射现象。
若没有雨，挡风玻璃的外表面是干燥的，那么反射光的角度符合反射规律，是固定的，而且反射回的光线强度也很足，如图3（a）所示。
如果是雨天，挡风玻璃的外表面有雨滴，光线发射到雨滴上，产生散射，反射角度就不固定了，而且反射回的光线强度也减少，如图3（b）所示。
雨下的越大，挡风玻璃外表面的雨滴就越多越厚，反射回的光线强度也就越小。
就算车内环境有着足量的背景光或者一些落在挡风玻璃上的灰尘杂质，传感器也将保证光线接收的高精度，反馈给系统的控制部分。
控制部分会根据接受到的信号在低于预设值时启动雨刷电机，并根据接受信号的大小，驱动机械部分控制雨刷的摆动速度。
传统的雨刷需要驾驶员手动调节速度，而有了雨刷传感器驾驶员将无需任何操作，雨刷会自动启动并调节速度，大大提高了雨天驾驶的安全性和舒适度。
4.3红外反射式雨量传感器的探测光路
在选择雨量传感器采用的探测光时，光源器件的性能指标和价格高度，还有对驾驶员身体的影响，都是我们要考虑的问题。
目前的LED光源发射的光差不多能够涵盖整个光谱范围，包括红外光。
传感器所选择光源频谱是不能够在可见光范围内的，因为如果光源可见将会干扰驾驶员的视线，影响驾驶员的操控，存在安全隐患，选择红外光，是因为人类的肉眼是看不到它的，免去了光源对视线干扰的这一影响，所以光源选择红外光[12]。
如图4所示，红外LED光源发射红外光，经过透镜的聚光，射到挡风玻璃的反射光再经透镜的聚光，反射到硅光电池，这些就构成了传感器的光路部分。
准直透镜输为了增强红外光的光强，减少多余的散射，它能够将红外光聚整成平行光。
图4红外雨量传感器光路框图
4.4红外反射式雨量传感器的设计
红外雨量传感器的硬件电路图5所示，系统主要由红外发射电路、红外接受电路和PIC单片机的控制电路构成。
图5传感器电路原理图
4.4.1红外发射电路
红外光发射电路顾名思义是起到发射红光的作用。
如图5所示，硅光二极管就是红外发射管，硅光二极管暗电流小，工作噪声低，价格低廉，不易损坏，而且不易受环境温度的干扰。
如图所示，三个硅光二极管并联在一起，通过脉冲发生器驱动工作，发射频率是38千赫兹，功率消耗非常小。
在发射电路中加入了LED指示灯，因为人的肉眼是看不见红外光的，所以它的作用是指示红外光是否发射。
脉冲发生器的作用是驱动硅光二极管发射，它是由555定时器构成的多谐振荡器，555电路发出频率为38k赫兹的脉冲波，再用来驱动红外发射管发射频率一样为38k赫兹的红外光[13]。
如图5所示，555定时器中C1和C2是两个电压比较器，它控制着RST触发器和放电管的状态。
图中接地和电源之间接上电压（VCC），5号引脚悬空时，电压比较器C1的反相输入端的电压值为VCC的三分之二，电压比较器C2的同相输入端的电压值为VCC的三分之一。
当触发器输入端TRIG的电压值比VCC的三分之一小时，电压比较器C2的输出值为零，则RST触发器被置位，555的输出端口OUT为1。
当阈值输入端口THR的电压值比VCC的三分之二大时，且THR端口的电压值比VCC的三分之一大，此时电压比较器C1的输出是零，C2是1，这样RST触发器被复位，输出端OUT为零。
4.4.2红外接收电路
红外接收电路一般是由几个部分部分组成，包括红外光接收二极管，放大电路，带通滤波器等，由于接收到的电信号非常微弱，必须要经过放大电路的放大，而且需要滤波器滤掉杂波。
该传感器的红外接收电路采用专用的红外接收集成芯片TK1838，它将这几个部分都集成在了一起，用来接收脉冲编码信号调制的红外光信号，其内部结构图如图6所示。
图6TK1838内部结构图
TK1838共有3个引脚，如图6所示。
其中，OUT引脚是输出端，GND引脚是接地端，VS引脚负责接通+5V电源。
TK1838被设计为只有接受到频率为38k赫兹的脉冲信号时，它的输出才会为0，当接收到的频率不是38k赫兹时，输出是1。
当挡风玻璃前的雨量小时，它的输出脉冲波的数量就少，雨量大时，输出的脉冲波数量就多。
PIC单片机会检测到TK1838输出的单位时间内脉冲波的数量来控制雨刮电机的工作，雨量小，则雨刮电机运行速度小，雨量大，雨刮电机刮动频率就快。
4.4.3PIC16F87单片机介绍
PIC16F87单片机的功能强大，它可以满足多方面的需求，并且使用起来非常灵活。
它实际上是一种集成电路，用来开发和对外围设备的控制。
它是一种具有能同时处理多功能任务的单片机。
它是由Mieroehip公司发明的，采用了精简指令集结构的嵌人式微控制器，有着运行速度快，工作电压低，功率消耗低、输出电流大，造价低的特点，这些都是未来单片机发展的趋势。
PIC16F87内带4KBFlashProgram存储器；采用低功耗、高速CMOSFlash工艺，可以重复烧
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