基于霍尔式传感器技术的数字式车速表的设计.docx

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基于霍尔式传感器技术的数字式车速表的设计

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:

ThispaperdesignsaHall3031Tsensorswitches,and74LS16detshiftregisterisa8051microcontrollerMCS,7,LEDdigitalelectronicspeedtubeetc.Thispaperintroducesthebasicdesignprincipleandthepulsesignalisproduced,regularcounting,velocitydataprocessing,suchasthebasicoperationspeed,butalsoprovidesaspecifichardwarecircuit,components,andtherelevantprocedurechosenblockdiagram.Thiskindofelectronicspeedtablewithreal-timespeedcansatisfydifferentoccasionsofaccuracyandsensitivityrequirement,particularlysuitableforrearengine,gearbox,farfromthecockpit.

Keywords:

digitalspeed；hallswitchingdevices；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θ时，此时的霍尔电动势为

UH=KHIBcosθ

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δ成反比，即UH=RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。

另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ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δ成反比，即KH=RH/δ，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α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

霍尔传感器产生的脉冲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，计数器T0按方式1对外来脉冲计数，T0、T1的运行与否只由TR0、TR1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

=0．1s，若晶振选用

=6MHz，则T1的初值a由式

（2）计算得a=15536，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T1最高位产生溢出时置TF1=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）速度计算

在T1中断服务程序中，01s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

=256r／s，故TH0=0，n=TLo值）。

则CPU由式（3）即可计算出车速

式中n——0．1S内的脉冲数

——定时时间（这儿定为0．1s）

i0——主减速器减速比

D——车轮外径．m

C——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MCS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）所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中（b）所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。

齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏（mV）级的准正弦波电压。

（三）霍尔开关传感器3031T的选用

3031T是一种硅单片集成电路（IC），如图7所示，器件内含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路。

3031T具有工作电压范围宽、可靠性高、外围电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。

同时3031T还具有体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。

器件采用三端平塑封装、引出端功能符号见图7所示。

（四）施密特触发器的选用

我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。

施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。

在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压（

），在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压（

）。

正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压（

）。

普通门电路的电压传输特性曲线是单调的，施密特触发器的电压传输特性曲线则是滞回的[图9（a）（b）]。

图8用CMOS反相器构成的施密特触发器

 用普通的门电路可以构成施密特触发器[图8]。

因为CMOS门的输入电阻很高，所以

的输入端可以近似的看成开路。

把叠加原理应用到

和

构成的串联电路上，我们可以推导出这个电路的正向阈值电压和负向阈值电压。

当

时，

。

当

从0逐渐上升到

时，

从0上升到

，电路的状态将发生变化。

我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。

因为此时电路状态尚未发生变化，所以

仍然为0，

，于是，

。

与此类似，当

时，

。

当

从

逐渐下降到

时，

从

下降到

，电路的状态将发生变化。

我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。

因为此时电路状态尚未发生变化，所以

仍然为

，

，于是，

。

通过调节

或

，可以调节正向阈值电压和反向阈值电压。

不过，这个电路有一个约束条件，就是

。

如果

，那么，我们有

及

，这说明，即使

上升到

或下降到0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。

图9图8电路的电压传输特性

（a）同相输出（b）反相输出

图10带与非功能的TTL集成施密特触发器

集成施密特触发器比普通门电路稍微复杂一些。

我们知道，普通门电路由输入级、中间级和输出级组成。

如果在输入级和中间级之间插入一个施密特电路就可以构成施密特触发器[图10]。

集成施密特触发器的正向阈值电压和反向阈值电压都是固定的。

（五）移位寄存器74LS164的选用

164为8位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下：

 54/74164 185mW    54/74LS16480mW

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。

串行数据输入端（A，B）可控制数据。

当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。

当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。

71LS164引脚图及引脚功能：

图1174LS164封装图

CLOCK：

时钟输入端

CLEAR：

同步清除输入端（低电平有效）

A，B：

串行数据输入端

QA－QH：

输出端       

74LS164内部结构图

 图12 74LS164内部逻辑图

74LS164电气参数:

极限值

电源电压7V

输入电压………5.5V

工作环境温度

54164…………-55～125℃

74164…………-0～70℃

储存温度…… -65℃～150℃

建议操作条件 

符号

参数

最小值

典型值

最大值

单位

VCC

电源电压

4.75

5

5.25

V

VIH

输入高电平电压ViH

2

-

-

V

VIL

输入低电平电压ViL

-

-

0.8

V

IOH

输出高电平电流IOH

-

-

-0.4

mA

IOL

输出低电平电流IOL

-

-

8

mA

fCLK

时钟频率fCP

0

-

25

MHz

tW

脉冲宽度

时钟

20

-

-

ns

清除

20

-

-

tSU

数据设置时间

17

-

-

ns

tH

数据保持时间

5

-

-

ns

tREL

建立时间

30

-

-

ns

TA

工作温度

0

-

70

℃

电气特性

符号

参数

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

VI

输入钳位电压

VCC=Min,II=-18mA

-

-

-1.5

V

VOH

输出高电平电压

VCC=Min,IOH=MaxVIL=Max,VIH=Min

2.7

3.4

-

V

VOL

输出低电平电压

VCC=Min,IOL=MaxVIL=Max,VIH=Min

-

0.35

0.5

V

IOL=4mA,VCC=Min

-

0.25

0.4

II

最大输入电压时输入电流

VCC=Max,VI=7V

-

-

0.1

mA

IIH

输入高电平电流

VCC=Max,VI=2.7V

-

-

20

μA

IIL

输入低电平电流

VCC=Max,VI=0.4V

-

-

-0.4

mA

IOS

输出短路电流

VCC=Max（Note4）

-20

-

-100

mA

ICC

电源电流

VCC=Max（Note5）

-

16

27

mA

动态特性（TA=25℃）

符号

参数

To（Output）

RL=2kΩ

单位

CL=15pF

CL=50pF

最小值

最大值

最小值

最大值

fMAX

最大时钟频率

-

25

-

-

-

MHz

tPLH

低到高电平输出传递延迟时间

时钟输出

-

27

-

30

ns

tPHL

高到低电平输出传递延迟时间

时钟输出

-

32

-

40

ns

tPHL

传递延迟时间

时钟输出

-

36

-

45

ns

（六）MCS一8051单片机的选用

随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），随机存取内存RAM（RandomAccessMemory），只读存储器ROM（ReadOnlyMemory），定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），直译为单片机。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（MicroControllerUnit）,单片机商品名称为微控制器单元。

单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。

MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等）。

外形如图14所示。

图13AT89C51外形图

    8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：

·中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

·数据存储器（RAM）：

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

·程序存储器（ROM）：

    8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

·定时/计数器（ROM）：

    8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

·并行输入输出（I/O）口：

    8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

·全双工串行口：

    8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

·中断系统：

    8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

·时钟电路：

    8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。

INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

（七）LED七段数码管的选用

数码管中有8个发光二极管，其中7个发光二极管长条段状，可组成数字字形，1个发光二极管为点状，形成小数点，所以有时称为七段码。

七段数码管引脚编码从左下脚开始，分别为第1引脚、第2引脚．．．。

七段数码管的8个发光二极管分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dp；“com”为8个LED的公共引脚。

按照公共引脚的接法，七段数码管分共阳极和共阴极两种。

共阳极的七段数码管将所有LED的正极连接在公共引脚，接到电源线。

当某一个LED负极为低电平时，发亮；为高电平时，变暗。

共阴极的七段数码管将所有LED的负极连接在公共引脚，接到地线。

当某一个LED正极为高电平时，发亮；为低电平时，变暗。

图14显示电路

三、软件框图

软件框图包括主程序框图（见图15）和T1中断服务程序框图（见图16）

图15主程序框图

图16T1中断服务程序框图

单片机显示程序（以显示0到99为例）

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0BH

LJMPLOOP

MAIN:

MOVTMOD,#01H

MOVTH0,#HIGH（65536-50000）

MOVTL0,#LOW（65536-50000）

SETBEA

SETBTR0

SETBET0

MOV31H,#00H

FW:

MOV30H,#00H

MOVA,30H

MOVB,#10

DIVAB

MOVDPTR,#T