基于霍爾傳感器的電子式車速里程表設計

劉燕

（山西大學商務學院信息學院，太原 030031）

基于霍爾傳感器的電子式車速里程表設計

劉燕

（山西大學商務學院信息學院，太原 030031）

隨著社會的進步和人們生活水平的提高，汽車已普及到千家萬戶，車速里程表是汽車必不可少的重要儀表之一，為駕駛員提供車輛當前車速及里程信息。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前市場上的車速里程表以電子式為主?；诨魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟?，分析車速和里程的計算方法，并設計一種以STC89C52單片機為核心，由霍爾傳感器檢測、LCD液晶顯示、蜂鳴器報警提示、按鍵輸入、掉電存儲等模塊組成的新型電子式車速里程表，除了具有實時顯示車速、里程功能、超速報警功能，并且增加手動設置傳感器磁珠個數(shù)和輪胎直徑，以及掉電存儲數(shù)據(jù)功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、實時性強、精度高、安全可靠等優(yōu)點。

電子式轉(zhuǎn)速里程表；3144霍爾傳感器；STC89C52單片機；LCD1602

0 引言

車速里程表[1]是由指示汽車行駛速度的車速表和記錄汽車所行駛過距離的里程計組成的。目前有機械式和電子式兩種。傳統(tǒng)的車速里程表是機械式的，當汽車行駛時，變速器輸出主軸帶動里程表主動齒輪運轉(zhuǎn)，主動齒輪運轉(zhuǎn)帶動被動齒輪旋轉(zhuǎn)，進而使軟軸內(nèi)鋼絲轉(zhuǎn)動，帶動驅(qū)動軸[2]。當汽車高速行駛時，容易使鋼絲軟軸疲勞斷裂導致指示錯誤，軟軸在高速容易變形以及遲滯，導致指示遲鈍。軟軸中的鋼絲長時間和汽車高速運行時容易受到磨損從而影響穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)速里程表對于汽車行駛時十分重要，特別是在限速路段、高速路段、減速路段，車速的錯誤顯示或者延遲，可能會導致嚴重的交通事故。而傳統(tǒng)機械儀表價格昂貴，容易發(fā)生故障，并且精度也比較低，已不能滿足現(xiàn)代汽車新技術(shù)、高度人性化、經(jīng)濟環(huán)保的要求，對其進行改進成為了必然，高性能轉(zhuǎn)速里程表有著廣闊的市場前景。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電子式車速里程表慢慢取代傳統(tǒng)機械式車速里程表，根據(jù)霍爾效應[3]，將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號，可以很好地對車速或者里程進行非接觸式測量，從而增加電子車速里程表的穩(wěn)定性、安全性和耐用性。

本文所設計的新型電子式轉(zhuǎn)速里程表主要使用霍爾傳感器實現(xiàn)對車速以及里程進行非接觸式測量，以STC89C52單片機為核心[4]，由霍爾傳感器檢測、液晶顯示、蜂鳴器報警提示、按鍵輸入、掉電數(shù)據(jù)存儲等模塊組成，除了具有計算并實時顯示車速[5]、里程功能、超速報警功能，并且增加了手動設置磁珠個數(shù)、輪胎直徑和掉電存儲數(shù)據(jù)功能，有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、反應速度快、精度高、安全可靠等優(yōu)點。車速里程表不但可以應用于汽車，還可以應用于放電機、電動機、卷揚機、加工機床等，測量電機的轉(zhuǎn)速。

1 基于霍爾傳感器的車速里程測量原理

1.1 霍爾原理

長是L，寬為b，厚度為d的霍爾元器件在方向是沿著長L的電場作用下，產(chǎn)生電流，電子也沿著長為L的方向發(fā)生移動。如果在沿著霍爾元器件寬度b的方向施加磁場信號，在磁場的作用下，產(chǎn)生洛侖茲力，大小可以通過如下公式計算：

公式（1）中：q表示載流子電荷量，V表示載流子速率，B為磁場強度，F(xiàn)表示洛倫茲力的大小。

電子的方向，由于洛侖茲力，改變了原先的運動軌跡，使得霍爾元器件的一端積累了大量的電子，霍爾元器件兩端形成電勢差，其電勢差就是霍爾電壓的大小，可以通過公式（2）計算：

公式（2）中，U為霍爾電場，R為霍爾常數(shù)，I為電流，d表示霍爾元器件的厚度，k是霍爾器件的靈敏系數(shù)，其等于霍爾常數(shù)除以d，代表霍爾元器件在單位電流與磁場強度下，產(chǎn)生的電動勢。當I不變時，U與B正比。

1.2 里程計算原理

霍爾傳感器根據(jù)汽車轉(zhuǎn)軸盤上磁體與霍爾元器件相作用而生成脈沖信號。如果在轉(zhuǎn)軸盤上有多個磁體，車輪每轉(zhuǎn)一圈，多個磁體與霍爾元件相作用，就會形成多個脈沖信號。將脈沖信號輸入到單片機的T1引腳，并設置其為最高中斷優(yōu)先級以確保脈沖計數(shù)的準確。根據(jù)公式（3）便可以計算，汽車行駛1KM所需要的圈數(shù)。

公式（3）中D輪胎外徑，m為車輪上均勻固定的磁體個數(shù)。根據(jù)公式（4）和（5）可以計算計數(shù)器 1的TH1、TL1寄存器，當單片機計數(shù)器1發(fā)生中斷，則汽車行駛里程就增加1KM。

1.3 車速計算原理

汽車的車速測量可以通過計算1s汽車轉(zhuǎn)的圈數(shù)來計算，如下公式（6）。

公式（6）中，N1位表示汽車行駛1s輪胎轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，m表示車輪上均勻固定的磁體個數(shù)。單片機定時器0設置定時中斷方式，定時時間為50ms，當中斷20次時統(tǒng)計脈沖數(shù)，根據(jù)公式（6）就可以算出汽車行駛的車速。

2 硬件設計

2.1 硬件整體結(jié)構(gòu)

該電子式車速里程表由STC89C52單片機最小系統(tǒng)、3144霍爾傳感器、USB接口、LCD1602液晶顯示、AT24C02存儲器、蜂鳴器報警、鍵盤組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，STC89C52[8]單片機最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心控制部分；霍爾傳感器采用3144，是一種使用半導體集成技術(shù)生產(chǎn)的磁敏電路，它由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級組合而成，3144霍爾傳感器輸出的信號經(jīng)過放大、整形后，轉(zhuǎn)化為單片機能夠識別的脈沖信號；LCD液晶顯示器采用LCD1602，用于實時顯示當前的車速與里程、安裝在輪胎的磁珠個數(shù)，以及輪胎直徑的大??；蜂鳴器用于超速報警提示；鍵盤用于設置輪胎的直徑和磁珠個數(shù)。隨著USB接口的普及，現(xiàn)在很多電腦已經(jīng)沒有UART串口，為了便于單片機與電腦通信，本系統(tǒng)采用CH340芯片，把單片機的通用串口轉(zhuǎn)換為USB接口，與電腦主機連接，進行程序的片上調(diào)試和下載。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器采用3144，它輸出的信號經(jīng)過放大、整形后，把正負交變信號轉(zhuǎn)化為單片機可以識別的脈沖信號，電路原理圖和實物如圖2和3所示。運算放大器采用LM393，它的引腳2與可調(diào)電阻連接，引腳3與霍爾傳感器連接，引腳1與單片機的定時計數(shù)器T1中斷引腳相連，由單片機捕捉脈沖信號并計數(shù)。

3 軟件設計

汽車輪胎每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一定數(shù)量的脈沖信號。經(jīng)過放大、整形電路后，轉(zhuǎn)化為單片機可以識別的脈沖信號，定時器1工作在計數(shù)方式，捕捉脈沖信號并計數(shù)，定時器0工作在計時方式，定時50ms后，計算車速和里程數(shù)，同時把計算好的車速和里程數(shù)實時顯示在LCD液晶屏，并把數(shù)據(jù)保存在AT24C02外部存儲器中。主程序流程圖如圖4所示，程序循環(huán)檢測發(fā)生了以下哪種情況：

圖2 霍爾傳感器模塊電路圖

圖3 霍爾傳感器模塊實物圖

如果按鍵“1”被按下，則更改輪胎直徑，并把更改后的輪胎直徑顯示在LCD液晶屏，同時保存在AT24C02外部存儲器中；

如果按鍵“2”被按下，則修改安裝在輪胎上磁鐵個數(shù)，并把修改后的數(shù)量顯示在LCD液晶屏，同時保存在AT24C02外部存儲器中；

如果按鍵“3”被按下，則清除里程數(shù)，置為0，把內(nèi)容顯示在LCD液晶屏，同時保存在AT24C02外部存儲器中；

檢測汽車是否超速，如果超速則控制蜂鳴器報警；

檢測定時是否到50ms，如果定時到50ms，把新的車速刷新到LCD液晶屏，同時保存在AT24C02外部存儲器中；

檢測里程數(shù)有無增加，如果有的話，把新的里程數(shù)顯示到LCD液晶屏，同時保存在AT24C02外部存儲器中。

圖4 主程序流程圖

4 結(jié)語

本文對基于STC89C52單片機的電子式轉(zhuǎn)速里程表的核心技術(shù)、整體框架以及詳細內(nèi)容給出了全面的分析，并給出了電子式轉(zhuǎn)速里程表的硬件電路設計以及軟件設計過程，并且經(jīng)過實驗進行驗證本次設計基本能夠完成所需功能。與傳統(tǒng)機械式車速里程表相比，本文設計的電子車速里程表具有如下優(yōu)點：克服了傳統(tǒng)接觸式機械里程表在高速和長久使用后出現(xiàn)指示遲鈍、錯誤的現(xiàn)象的缺點，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、反應速度快、精度高、安全可靠等優(yōu)點；本文設計的電子式車速里程表除了具有實時顯示車速里程功能，還具有超速報警功能，當速度比較高的時候會報警提示，更加人性化；增加了手動設置傳感器磁珠個數(shù)、輪胎直徑更具不同的應用進行不同的設置，增加了靈活性，實用性。

[1]范雷云，汪超.淺談汽車車速里程表設計[J].山西電子技術(shù)，2016(3)：20-21.

[2]古敏雄.汽車電子式車速里程表研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015(9)：18-19.

[3]黃傳河.傳感器原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015，4.

[4]張友德，趙志英，涂時亮.單片微型機原理、應用與實踐[M].上海：復旦大學出版社，2008.1.

[5]吳敏.一種基于單片機的速度測量系統(tǒng)[J].微計算機信息，2008，24(2)：94+101-102.

Abstract：Along with social progress and the improvement of people's living quality,cars have spread to millions of households.As one of necessary automotive parts,speedometer can provide drivers the vehicle current speed and mileage information.With the development of automotive electronics,speedometer in the market is mainly electronic at present.Based on the principle of Hall sensor,analyzes the calculation meth?od of speed and mileage.And designs a new electronic speedometer with STC89C52 Microcomputer as the core,composes of Hall sensor detection,and LCD display,buzzer alarm,and key scan,and power-fail storage modules.This speedometer not only can display speed and mileage in real time,over speed alarm in time,but also can manually set the number of sensor magnetic beads and tire diameter,and store data power down,has the advantages of simple structure,small size,real time,high precision,safety,reliability.

Keywords：Electronic Speed Odometer;Hall Sensor;STC89C52 MCU;LCD1602

Electronic Speed Odometer Based on Hall Sensor

LIU Yan

（Information School,Business College of Shanxi University,Taiyuan 030031）

山西大學商務學院科研項目（No.2016008）

1007-1423（2017）26-0036-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.26.009

劉燕（1985-），女，山西太原人，碩士，研究方向為嵌入式系統(tǒng)與應用研究、聚類算法設計與分析

2017-06-27

2017-09-10