密 级 公 开 学 号
衡水学院
毕业设计
霍尔传感器在汽车电子中的应用
论文作者 ：
指导教师 ：
系别 ：
： 专业
年级 ：
提交日期 ： 2012年5月18日
答辩日期 ： 2012年5月30日
毕业设计学术承诺
本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。
作者签名： 日 期：
毕业设计使用授权的说明
本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。
作者签名： 指导教师签名：
日 期： 日 期：
设计题目：霍尔传感器在汽车电子中的应用
摘 要：本文介绍了霍尔传感器在汽车电子中的应用，设计了基于霍尔传感器与单片机AT89C2051结合来实现电机转速的测量。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。测量转速的传感器与装有磁铁的转盘保持好一定的位置，转盘每转一周，霍尔传感器采集一定量的脉冲信号，把采集好的脉冲信号输入到单片机中进行数据处理，经过处理后实现电机速度的测量。在显示电路设计中，通过1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。硬件与软件配合，实现了测速。仿真实验证实了所设计的硬件电路及软件程序的正确性，满足设计要求。
关键词：霍尔传感器；测速；单片机
I
Title：Application in Automotive Electronics of Hall Sensor
Abstract: This article introduces the application of the Hall sensor in automotive electronics, and designs a motor speed measurement system based on Hall sensor with the microcontroller AT89C2051. The design of the Hall sensor measuring circuit and the display circuit are completed. the speed measurement sensor and turntable equipped with a magnet maintain a certain location, dial each revolution, the Hall sensor is going to collect a certain amount of pulse signals, and those pulse signals collected input to the microcontroller for data processing, after treatment, achieve the speed measurement of motor. You can achieve the measurement of motor speed. The motor speed value is displayed visually on the LCD by 1602 in display circuit design. Speed measurement is achieved by the combination of hardware and software. The simulation results show the correctness of hardware circuits and software programs designed and they meet the design requirements.
Keywords: Hall Sensor; Speed Measurement; MCU
II
目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II
1 绪论 ........................................................................................................................................ 1
1.1 引言 .................................................................................................................................. 1
1.2 国内外传感器的发展现状及发展方向 .......................................................................... 1
1.3 传感器未来的发展趋势 .................................................................................................. 1
1.4 传感器在汽车电子中的应用 .......................................................................................... 2
2霍尔传感器的原理 ................................................................................................................. 3
2.1 关于霍尔原理的解释 ...................................................................................................... 3
2.1.1 霍尔效应的定义 ......................................................................................................... 3
2.1.2 霍尔效应的发现 ......................................................................................................... 3
2.1.3 霍尔效应的解释 ......................................................................................................... 3
2.2 霍尔传感器的构成及分类 .............................................................................................. 4
2.3.1 线性型霍尔传感器的构成及特性 ............................................................................. 4
2.3.2 开关型霍尔传感器的构成及特性 ............................................................................. 5
2.4 霍尔传感器的应用 .......................................................................................................... 6
3霍尔传感器在汽车电子系统中的应用 ................................................................................. 7
3.1 霍尔传感器在汽车测速中的应用 .................................................................................. 7
3.1.1 工作磁体的设置 ......................................................................................................... 7
3.1.2 工作原理 ..................................................................................................................... 7
3.2 霍尔传感器在防抱死制动系统(ABS)中的应用 ........................................................... 7
3.2.1 ABS的工作模式及结构形式 ..................................................................................... 8
3.2.2 ABS的工作原理 ......................................................................................................... 8
3.3 霍尔传感器在点火系统中的应用 .................................................................................. 9
4霍尔传感器测速设计 ........................................................................................................... 11
4.1系统总设计要求 ............................................................................................................. 11
4.2系统模块结构 ................................................................................................................. 11
4.3 总体硬件设计 ................................................................................................................ 12
4.3.1 硬件流程图 ............................................................................................................... 12
4.3.2 硬件电路设计 ........................................................................................................... 12
4.4系统子模块介绍 ............................................................................................................. 14
4.5 软件设计 ........................................................................................................................ 16
4.6 系统的仿真 .................................................................................................................... 18
结 语 ...................................................................................................................................... 21
参考文献 .................................................................................................................................. 22
致 谢 ...................................................................................................................................... 23
III
IV
1 绪论
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 国内外传感器的发展现状及发展方向
国际上，传感器技术日益发展，2009年全球传感器市场容量为515亿美元，预计2012年全球传感器市场可达650亿美元以上。例如在东欧、亚太区以及加拿大已经成为传感器市场增长最快的地方，而今经济发达的美国、德国及日本仍是传感器市场分布最大的地区。就世界而言，汽车传感器是市场上增长最快的。世界各国都对汽车传感器的理论研究、新材料应用及新产品开发都十分重视，然而各国传感器的技术进步也非常迅速。一些发达国家不断研发新型传感器，从而使汽车性能也大大提高。2010年前后，国外敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化。
国内，很多生产生活方面都用到传感器，主要产品有：温度传感器、压力传感器、磁电传感器、流量传感器、液位传感器、湿敏传感器、力敏传感器、气敏传感器，用于工业生产的还有：开关类的接近/定位传感器、安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等，所以传感器的品种领域很宽，中国传感器的市场增长率不断提高。这是由于改革开放以后，我国引进招商引资项目，有很多外来投资者，比如西门子公司、霍尼威尔公司、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造商带来了很大的便利。虽然国内传感器和检测仪表生产有所发展，但这远不能跟发达国家相比。我国的汽车传感器由于起步较晚，有很多传感器不能整体生产。只有零散的产品可与化油器配套使用，如车速传感器采用的是电磁式或霍尔式，存在着准确度问题，抗干扰能力问题和不同环境下的寿命等问题，而国外同类产品采用的是光电式，不存在上述问题。
1.3 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。
1.4 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 霍尔效应的发现
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A. H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器并没有得到实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开关传感器和线性传感器。
2.1.3 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
fL eBv （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fL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
EH=
式中：UH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。
UH （2-2） beEH=eBv （2-3）
EH=Bv （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）
将（2-5）与（2-4）联立得 I=nevbd （2-5）
EH=IB （2-6） nebd
将上式的带入（2-2）得
UH=
式中令RH=IB （2-7） ned1，称之为霍尔常数，则 ne
RHIB=KHIB （2-8） UH=d
RH式中，KH=是霍尔片的灵敏度。 d
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。
2.3.1 线性型霍尔传感器的构成及特性
线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图2-2所示。可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。
图2-2 输出电压与磁场强度关系
2.3.2 开关型霍尔传感器的构成及特性
开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
如图2-3所示，工作点“开”时的磁感应强度用BOP表示，释放点“关”时的磁感应强度用BRP表示。当外磁场强度超出BOP时，输出为低电平，在此范围以外保持不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
图2-3开关型传感器特性
还有一种锁键型开关型霍尔传感器，如图2-4所示，当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出电平发生变化，由高电平跃变为低电平，如果撤销磁场其输出状态保持不变即锁存状态，要想恢复这种状态必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。
图2-4 锁键性传感器特性
2.4 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系统模块结构
（1）霍尔测速模块的选择
方案一：采用霍尔元件传感器；选型号OH137产品性能好、灵敏度、电路可和各种逻辑电路直接相连，价格也便宜（10~20元之间不等）。
方案二：采用霍尔传感器；选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10V，输出信号5V/25mA，电源为12~15V。体积大，价格较贵（40~120元之间不等）。
从性价比方面综合考虑，选择方案一。 （2）计数模块的选择
可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是采用8253等片外专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
使用片内计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。所以选用片内计数。 （3）显示方式的选择
方案一：采用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。
方案二：采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。因此选择方案二。 （4）单片机模块的论证与选择
方案一：选用 AT89C2051单片机速度快、功耗低、体积小、资源丰富。 方案二：选用PhilipsP89C51RD2有4个PDA，属于兼容版。
方案比较：因为设计是汽车测速，所以我还是选用了方案一中AT89C2051单片机，选用AT89C2051是因为价格便宜、低功耗。
（5）转速测量方法与论证
方案一：测周法是测量两个脉冲之间的时间，换算成周期，从而得到频率。测出产生N个脉冲内所需要的时间t，则信号的周期为f=N/t，测量频率误差∆f≈N∆t/t2，误差主要来自采样的时间误差，低频脉冲情况下误差较小，测量精度高。
方案二：测频法是测量单位时间内的脉数，换算成频率。在设定t 时间内，测量产生N个脉冲，则信号的周期为f=N/t，测量频率误差∆f≈∆N/t，误差主要来自脉冲个数正负一个计数误差，高频脉冲情况下误差较小，测量精度高。
方案比较：由于两个方案都产生的误差，但是方案一中的时间误差，而本设计是汽车测速要测得是时刻速度，故选择方案二。
4.3 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。
4.3.1 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
4.3.2 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
4.4系统子模块介绍
本文主要利用霍尔传感器对电动机进行速度测量。系统以单片机AT89C205l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用字符型液晶显示器1602显示电机的转速。单片机转速测量系统。组成霍尔传感器转速测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个部分组成。 （1
）霍尔传感器部分
主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。本文中选用的是OH137的霍尔传感器如图4-5所示。
图4-5 OH137内部结构图
图中，RL=820Ω ，CL=20PF。管脚1表示电源，管脚2表示接地，管脚3表示输出。OH137霍尔开关电路其应用领域广泛，性能可靠已成为客户低成本高性能开发生产系列产品，电路内部由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器、集电极开路输出级这六部分组成，能将磁信号直接转变成电压信号输出。 （2）计数器
本文采用的是片内计数方案，采用的是单片机内部来完成对脉冲信号的计数。 （3）处理器
处理器是单片机，本设计采用AT89C2051芯片，AT89C2051主要特点是采用Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容。AT89C2051片内含有2K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM。允许工作的时钟为0—24MHz。AT89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要ALE、PSEN、
RA、WR一类的引脚。AT89C2051共有20个引脚，它只继承了8031最重要的引脚，体积小巧。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。其基本的结构图如图4-6所示。
图4-6 AT89C2051单片机结构框图
（4）LCD显示
在正常的情况下，当电机的转动时在LCD屏上显示出当前的速度，本设计采取的是LM016L显示器。
①LM016L参数及引脚功能及技术参数：
显示容量：16×2个字符 芯片工作电压：4.5—5.5V 工作电流：2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压：5.0V 符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm ②引脚功能说明
LM016LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-1所示。
表4-1LCD引脚功能
③单片机和LCD连接图如图4-7所示。
图4-7 1602与单片机的链接图
4.5 软件设计
（1）软件设计流程图如图4-8所示。
图4-8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INT0引脚。INT0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INT0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INT0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。
其中：n为直流电机转速，N
为栅格数，N1为T0中断次数，m为INT0在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。
4.6 系统的仿真
（1）仿真软件准备就绪如图4-9所示。
图4-9软件启动
（2）电机缓慢转动时如图4-10所示。
图4-10电机慢速转动
（3）电机快速转动时如图4-11所示。
图4-11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4-11的结果，输入变化幅度小的脉冲信号时出现图4-10的结果，说明仿真结果的正确性。
结 语
本文介绍了霍尔传感器的测速原理，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。对于采用霍尔传感器的测速装置的设计来说，利用运用放大，混合电路简单且易于实现、功耗小、成本低、反应迅速、输出稳定等特性。实现了对机车速度的测量，在生产工程上有一定的参考价值。
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，2001.
[2] 黄妙梁，张燕平.现代汽车的电子控制系统[M].成都：四川科学技术出版社，2001.
[3] 陈松. 汽车用传感器的技术动向[J].电子科技导报，1995，(10)：3-4.
[4] 徐向阳，姜恩桥.汽车传感器应用现状[J].世界电子元器件，2003，(12)：3-4.
[5] 秦永和，李伟.汽车传感器的现状与发展趋势[J]. 传感器技术，2003，(12)：24-25.
[6] 陈松译.汽车用传感器的技术动向[J].电子科技导报，1995，(10)：24-25.
[7] 胡兴军，子荫.汽车传感器发展综述[J].重型汽车，2004，(5)：12-13.
[8] 张月红.传感器在汽车中应用现状及发展趋势[J].汽车研究与开发，2004，(2)：24-25.
[9] 陈钊.汽车发动机用传感器的现状及展望[J].江汉大学学报，2001，(10)：1-2.
[10] 张辉，胡生清.汽车传感器的现状与未来[J].中国仪器仪表，1995，(5)：35-36.
[11] J.玛瑞克.汽车传感器[M].北京：化学工业出版社，2001.
[12] 冯夏勇，蔡建国.实用微机转速测量方法的研究[J].宇航测量技术，1997，(6)：24-25.
[13] 来清民主编.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社，2003.
[14] Shen L.P Mohri K，Abudukelimu A.L. Machano enecephalogram based on amorphous wire micro SI
acceleration sensor[A].Proceedings of IEEE Transactions on Magnetics[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2001.
[15] Honkura Y. Development of amorphous wire type MI sensors for automobile use[J].Magn. Mater，
2002，(4)：26-27.
致 谢
首先感谢我的导师侯老师。论文从选题、结构安排、文字处理直至最终定稿的全过程无一不是在侯老师的悉心指导、严格要求和亲切关怀下完成的。在论文撰写过程中，侯老师对我细心、耐心的指导，她严谨的治学精神、精益求精的工作作风和宽广博大的胸怀，深深的感染和激励着我，再次谨向侯老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
密 级 公 开 学 号
衡水学院
毕业设计
霍尔传感器在汽车电子中的应用
论文作者 ：
指导教师 ：
系别 ：
： 专业
年级 ：
提交日期 ： 2012年5月18日
答辩日期 ： 2012年5月30日
毕业设计学术承诺
本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。
作者签名： 日 期：
毕业设计使用授权的说明
本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。
作者签名： 指导教师签名：
日 期： 日 期：
设计题目：霍尔传感器在汽车电子中的应用
摘 要：本文介绍了霍尔传感器在汽车电子中的应用，设计了基于霍尔传感器与单片机AT89C2051结合来实现电机转速的测量。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。测量转速的传感器与装有磁铁的转盘保持好一定的位置，转盘每转一周，霍尔传感器采集一定量的脉冲信号，把采集好的脉冲信号输入到单片机中进行数据处理，经过处理后实现电机速度的测量。在显示电路设计中，通过1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。硬件与软件配合，实现了测速。仿真实验证实了所设计的硬件电路及软件程序的正确性，满足设计要求。
关键词：霍尔传感器；测速；单片机
I
Title：Application in Automotive Electronics of Hall Sensor
Abstract: This article introduces the application of the Hall sensor in automotive electronics, and designs a motor speed measurement system based on Hall sensor with the microcontroller AT89C2051. The design of the Hall sensor measuring circuit and the display circuit are completed. the speed measurement sensor and turntable equipped with a magnet maintain a certain location, dial each revolution, the Hall sensor is going to collect a certain amount of pulse signals, and those pulse signals collected input to the microcontroller for data processing, after treatment, achieve the speed measurement of motor. You can achieve the measurement of motor speed. The motor speed value is displayed visually on the LCD by 1602 in display circuit design. Speed measurement is achieved by the combination of hardware and software. The simulation results show the correctness of hardware circuits and software programs designed and they meet the design requirements.
Keywords: Hall Sensor; Speed Measurement; MCU
II
目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II
1 绪论 ........................................................................................................................................ 1
1.1 引言 .................................................................................................................................. 1
1.2 国内外传感器的发展现状及发展方向 .......................................................................... 1
1.3 传感器未来的发展趋势 .................................................................................................. 1
1.4 传感器在汽车电子中的应用 .......................................................................................... 2
2霍尔传感器的原理 ................................................................................................................. 3
2.1 关于霍尔原理的解释 ...................................................................................................... 3
2.1.1 霍尔效应的定义 ......................................................................................................... 3
2.1.2 霍尔效应的发现 ......................................................................................................... 3
2.1.3 霍尔效应的解释 ......................................................................................................... 3
2.2 霍尔传感器的构成及分类 .............................................................................................. 4
2.3.1 线性型霍尔传感器的构成及特性 ............................................................................. 4
2.3.2 开关型霍尔传感器的构成及特性 ............................................................................. 5
2.4 霍尔传感器的应用 .......................................................................................................... 6
3霍尔传感器在汽车电子系统中的应用 ................................................................................. 7
3.1 霍尔传感器在汽车测速中的应用 .................................................................................. 7
3.1.1 工作磁体的设置 ......................................................................................................... 7
3.1.2 工作原理 ..................................................................................................................... 7
3.2 霍尔传感器在防抱死制动系统(ABS)中的应用 ........................................................... 7
3.2.1 ABS的工作模式及结构形式 ..................................................................................... 8
3.2.2 ABS的工作原理 ......................................................................................................... 8
3.3 霍尔传感器在点火系统中的应用 .................................................................................. 9
4霍尔传感器测速设计 ........................................................................................................... 11
4.1系统总设计要求 ............................................................................................................. 11
4.2系统模块结构 ................................................................................................................. 11
4.3 总体硬件设计 ................................................................................................................ 12
4.3.1 硬件流程图 ............................................................................................................... 12
4.3.2 硬件电路设计 ........................................................................................................... 12
4.4系统子模块介绍 ............................................................................................................. 14
4.5 软件设计 ........................................................................................................................ 16
4.6 系统的仿真 .................................................................................................................... 18
结 语 ...................................................................................................................................... 21
参考文献 .................................................................................................................................. 22
致 谢 ...................................................................................................................................... 23
III
IV
1 绪论
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 国内外传感器的发展现状及发展方向
国际上，传感器技术日益发展，2009年全球传感器市场容量为515亿美元，预计2012年全球传感器市场可达650亿美元以上。例如在东欧、亚太区以及加拿大已经成为传感器市场增长最快的地方，而今经济发达的美国、德国及日本仍是传感器市场分布最大的地区。就世界而言，汽车传感器是市场上增长最快的。世界各国都对汽车传感器的理论研究、新材料应用及新产品开发都十分重视，然而各国传感器的技术进步也非常迅速。一些发达国家不断研发新型传感器，从而使汽车性能也大大提高。2010年前后，国外敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化。
国内，很多生产生活方面都用到传感器，主要产品有：温度传感器、压力传感器、磁电传感器、流量传感器、液位传感器、湿敏传感器、力敏传感器、气敏传感器，用于工业生产的还有：开关类的接近/定位传感器、安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等，所以传感器的品种领域很宽，中国传感器的市场增长率不断提高。这是由于改革开放以后，我国引进招商引资项目，有很多外来投资者，比如西门子公司、霍尼威尔公司、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造商带来了很大的便利。虽然国内传感器和检测仪表生产有所发展，但这远不能跟发达国家相比。我国的汽车传感器由于起步较晚，有很多传感器不能整体生产。只有零散的产品可与化油器配套使用，如车速传感器采用的是电磁式或霍尔式，存在着准确度问题，抗干扰能力问题和不同环境下的寿命等问题，而国外同类产品采用的是光电式，不存在上述问题。
1.3 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。
1.4 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 霍尔效应的发现
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A. H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器并没有得到实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开关传感器和线性传感器。
2.1.3 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
fL eBv （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fL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
EH=
式中：UH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。
UH （2-2） beEH=eBv （2-3）
EH=Bv （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）
将（2-5）与（2-4）联立得 I=nevbd （2-5）
EH=IB （2-6） nebd
将上式的带入（2-2）得
UH=
式中令RH=IB （2-7） ned1，称之为霍尔常数，则 ne
RHIB=KHIB （2-8） UH=d
RH式中，KH=是霍尔片的灵敏度。 d
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。
2.3.1 线性型霍尔传感器的构成及特性
线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图2-2所示。可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。
图2-2 输出电压与磁场强度关系
2.3.2 开关型霍尔传感器的构成及特性
开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
如图2-3所示，工作点“开”时的磁感应强度用BOP表示，释放点“关”时的磁感应强度用BRP表示。当外磁场强度超出BOP时，输出为低电平，在此范围以外保持不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
图2-3开关型传感器特性
还有一种锁键型开关型霍尔传感器，如图2-4所示，当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出电平发生变化，由高电平跃变为低电平，如果撤销磁场其输出状态保持不变即锁存状态，要想恢复这种状态必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。
图2-4 锁键性传感器特性
2.4 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系统模块结构
（1）霍尔测速模块的选择
方案一：采用霍尔元件传感器；选型号OH137产品性能好、灵敏度、电路可和各种逻辑电路直接相连，价格也便宜（10~20元之间不等）。
方案二：采用霍尔传感器；选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10V，输出信号5V/25mA，电源为12~15V。体积大，价格较贵（40~120元之间不等）。
从性价比方面综合考虑，选择方案一。 （2）计数模块的选择
可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是采用8253等片外专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
使用片内计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。所以选用片内计数。 （3）显示方式的选择
方案一：采用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。
方案二：采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。因此选择方案二。 （4）单片机模块的论证与选择
方案一：选用 AT89C2051单片机速度快、功耗低、体积小、资源丰富。 方案二：选用PhilipsP89C51RD2有4个PDA，属于兼容版。
方案比较：因为设计是汽车测速，所以我还是选用了方案一中AT89C2051单片机，选用AT89C2051是因为价格便宜、低功耗。
（5）转速测量方法与论证
方案一：测周法是测量两个脉冲之间的时间，换算成周期，从而得到频率。测出产生N个脉冲内所需要的时间t，则信号的周期为f=N/t，测量频率误差∆f≈N∆t/t2，误差主要来自采样的时间误差，低频脉冲情况下误差较小，测量精度高。
方案二：测频法是测量单位时间内的脉数，换算成频率。在设定t 时间内，测量产生N个脉冲，则信号的周期为f=N/t，测量频率误差∆f≈∆N/t，误差主要来自脉冲个数正负一个计数误差，高频脉冲情况下误差较小，测量精度高。
方案比较：由于两个方案都产生的误差，但是方案一中的时间误差，而本设计是汽车测速要测得是时刻速度，故选择方案二。
4.3 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。
4.3.1 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
4.3.2 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
4.4系统子模块介绍
本文主要利用霍尔传感器对电动机进行速度测量。系统以单片机AT89C205l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用字符型液晶显示器1602显示电机的转速。单片机转速测量系统。组成霍尔传感器转速测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个部分组成。 （1
）霍尔传感器部分
主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。本文中选用的是OH137的霍尔传感器如图4-5所示。
图4-5 OH137内部结构图
图中，RL=820Ω ，CL=20PF。管脚1表示电源，管脚2表示接地，管脚3表示输出。OH137霍尔开关电路其应用领域广泛，性能可靠已成为客户低成本高性能开发生产系列产品，电路内部由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器、集电极开路输出级这六部分组成，能将磁信号直接转变成电压信号输出。 （2）计数器
本文采用的是片内计数方案，采用的是单片机内部来完成对脉冲信号的计数。 （3）处理器
处理器是单片机，本设计采用AT89C2051芯片，AT89C2051主要特点是采用Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容。AT89C2051片内含有2K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM。允许工作的时钟为0—24MHz。AT89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要ALE、PSEN、
RA、WR一类的引脚。AT89C2051共有20个引脚，它只继承了8031最重要的引脚，体积小巧。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。其基本的结构图如图4-6所示。
图4-6 AT89C2051单片机结构框图
（4）LCD显示
在正常的情况下，当电机的转动时在LCD屏上显示出当前的速度，本设计采取的是LM016L显示器。
①LM016L参数及引脚功能及技术参数：
显示容量：16×2个字符 芯片工作电压：4.5—5.5V 工作电流：2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压：5.0V 符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm ②引脚功能说明
LM016LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-1所示。
表4-1LCD引脚功能
③单片机和LCD连接图如图4-7所示。
图4-7 1602与单片机的链接图
4.5 软件设计
（1）软件设计流程图如图4-8所示。
图4-8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INT0引脚。INT0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INT0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INT0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。
其中：n为直流电机转速，N
为栅格数，N1为T0中断次数，m为INT0在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。
4.6 系统的仿真
（1）仿真软件准备就绪如图4-9所示。
图4-9软件启动
（2）电机缓慢转动时如图4-10所示。
图4-10电机慢速转动
（3）电机快速转动时如图4-11所示。
图4-11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4-11的结果，输入变化幅度小的脉冲信号时出现图4-10的结果，说明仿真结果的正确性。
结 语
本文介绍了霍尔传感器的测速原理，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。对于采用霍尔传感器的测速装置的设计来说，利用运用放大，混合电路简单且易于实现、功耗小、成本低、反应迅速、输出稳定等特性。实现了对机车速度的测量，在生产工程上有一定的参考价值。
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，2001.
[2] 黄妙梁，张燕平.现代汽车的电子控制系统[M].成都：四川科学技术出版社，2001.
[3] 陈松. 汽车用传感器的技术动向[J].电子科技导报，1995，(10)：3-4.
[4] 徐向阳，姜恩桥.汽车传感器应用现状[J].世界电子元器件，2003，(12)：3-4.
[5] 秦永和，李伟.汽车传感器的现状与发展趋势[J]. 传感器技术，2003，(12)：24-25.
[6] 陈松译.汽车用传感器的技术动向[J].电子科技导报，1995，(10)：24-25.
[7] 胡兴军，子荫.汽车传感器发展综述[J].重型汽车，2004，(5)：12-13.
[8] 张月红.传感器在汽车中应用现状及发展趋势[J].汽车研究与开发，2004，(2)：24-25.
[9] 陈钊.汽车发动机用传感器的现状及展望[J].江汉大学学报，2001，(10)：1-2.
[10] 张辉，胡生清.汽车传感器的现状与未来[J].中国仪器仪表，1995，(5)：35-36.
[11] J.玛瑞克.汽车传感器[M].北京：化学工业出版社，2001.
[12] 冯夏勇，蔡建国.实用微机转速测量方法的研究[J].宇航测量技术，1997，(6)：24-25.
[13] 来清民主编.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社，2003.
[14] Shen L.P Mohri K，Abudukelimu A.L. Machano enecephalogram based on amorphous wire micro SI
acceleration sensor[A].Proceedings of IEEE Transactions on Magnetics[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2001.
[15] Honkura Y. Development of amorphous wire type MI sensors for automobile use[J].Magn. Mater，
2002，(4)：26-27.
致 谢
首先感谢我的导师侯老师。论文从选题、结构安排、文字处理直至最终定稿的全过程无一不是在侯老师的悉心指导、严格要求和亲切关怀下完成的。在论文撰写过程中，侯老师对我细心、耐心的指导，她严谨的治学精神、精益求精的工作作风和宽广博大的胸怀，深深的感染和激励着我，再次谨向侯老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。