汽车转速测量系统的设计)

传感器技术

课程设计

题目汽车转速测量系统的设计

摘要

随着我国经济建设步伐的加快，汽车开始越来越多地进入现代家庭，汽车电子也因此受到更多的重视。近些年来，国内外众多企业和学术科研机构投入了大量的人力物力，研究和开发新的汽车电子技术，并在某些领域取得了许多突破性的进展。传感器技术作为现代工业控制的支柱产业，在汽车电子的设计研究中占有突出的地位，传感器已成为汽车控制系统中的一个重要组成部分。通常一辆现代化的汽车，装备的传感器数量可多达 50~60 个，而国外有些高级轿车，其装备的传感器数量已达到数百个，至于概念型汽车装备的传感器数量就更多了。传感器已成为世界装备市场上增长最快的领域之一。事实上，应用于汽车上的传感器有很多种，目前主要有：转速传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、车速传感器、节气门位置传感器等等。其中转速传感器是控制汽车运转非常重要的一种传感器。本文对滞环电流控制的电流跟踪型逆变器进行了原理的分析，并且利用Matlab/Simulink动态仿真工具对其系统进行了动态的仿真，验证了其原理的正确性和可行性，证明了滞环电流控制具有输出电流正弦，具有鲁棒性好和动态性能好的突出优点。

关键词：传感器汽车霍尔传感器

目录

一、设计目的------------------------- 1

二、设计任务与要求 ----------------- 1

2.1设计任务------------------------- 1

2.2设计要求------------------------- 1

三、设计步骤及原理分析 ------------- 2

3.1设计方法------------------------- 2 3.2设计步骤------------------------- 2

3.3设计原理分析---------------------- 4

四、课程设计小结与体会 ------------- 7

4.1转速传感器的故障诊断-------------------------7 4.2 心得体会------------------------------------9

五、参考文献 ---------------------- 10

一、设计目的

对汽车的发动机转速进行监测，以便于控制车速，减少安全事故的发生。

二、设计任务与要求

2.1设计任务

转速测量的方案选择一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性再就是二次仪表的要求除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求，因此我们要选择合适的传感器和控制仪表。

2.2设计要求

2.2.1低成本化：目前电控技术应用已从高级轿车逐渐向中低档轿车普及。今后，为了向普及型轿车和商用车普及，要求电控系统小型化、低成本，特别要控制好传感器数量及制造成本，并要简化结构。

2.2.2复合化：近年汽车中新开发的 ASR（汽车驱动防滑系统）、ESP（车身电子稳定系统）、巡航等系统，都能从共用原汽车 ABS 里的轮速传感器中采集到相关信息。

2.2.3接融性要好：现代中高档汽车的各控制单元之间都已采用 CAN 数据传输系统，汽车的各传感器及控制单元的接融性要好，便于软件升级。

2.2.4可靠性、保险性要高：如别克车的点火系统中若1X、24X 出故障时，只要 7X 传感器正常，系统还能维持汽车运行，只是发动机性能有所下降。

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法

首先，我们要对测量转速的传感器有个大概的了解，我们要去弄懂这些传感器的工作原理好加以设计。

3.2设计步骤

首先，选择设计方案，以下有两套设计方案的简要说明：

方案一：霍尔传感器测量方案

传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B,在绕组的中心线上粘有霍尔片

H和B H,转子为永久磁钢霍尔

A

元件

H和B H的激励电机分别与绕组A H和B H相连,它们的A

霍尔电极串联后作为传感器的输出。

图3.2.1霍尔转速传感器的结构原理图

图 3.2.2方案霍尔转速传感器的接线图

采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。但是它可避免由于汽车行驶中产生的环境干扰。避免了无效信号的产生。

方案二：光电传感器

从下图中可见转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速范围内的无级调速。转速信号由光电传感器拾取使用时应先在转子上做好，光电标记具体办法可以是：将转子表面擦干净后用黑漆(或黑色胶布)全部涂黑再将一块反光材料贴在其上作为光电标，记然后将光电传感器光电头固定在正对光电标记的某一适当距离处。光电头采用低功耗高亮度LED,光源为高可靠性可见红光,无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变，都不影响接收效果。光电头包含有前置电路，输出0-5V的脉冲信号。接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系

统。

图 3.2.3 测量系统的组成框图

此方案的缺点：采用光电传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，所以需要信号整形、放大电路，而且如果运用于汽车速度测量时，由于汽车行驶时，轮胎转动会产生外部干扰如：水滴，飞石等环境因素，对光电传感器产生影响。所以不能运用于此。

3.3设计原理分析

霍尔传感器测量原理：

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外磁场B，在沿l方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大

小为：

qVB f =

式中：f —洛仑磁力，q —载流子电荷，v —载流子运动速度，B —磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。

霍尔电压大小为： H U H R =d B I /××(mV)

式中：H R —霍尔常数，d —元件厚度，B —磁感应强度，I —

控制电流

设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /××(mV)

H K 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在

单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。

图3.3.1 霍耳元件的原理结构图

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确

稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

光电效应式转速传感器工作原理：

光电效应式转速传感器是利用光敏元件（光敏三极管或光敏二极管）的光电效应原理制成。如图 3 所示，光电效应式转速传感器由遮光盘、遮光盘轴、光源、光接收器等组成。光电式发生器利用信号转子即遮光盘的转动，光接收器（光敏二极管或光敏三极管）就不断地受到照光和遮光，因而光敏二极管或光敏三极管不断地导通或截止，从而输出高、低电平信号。

图 3.3.2 光电效应式传感器

1、遮光盘

2、遮光盘轴

3、光源

4、光接收器

四、课程设计小结与体会

4.1转速传感器的故障诊断：

转速传感器故障检查步骤如下：

1. 转速传感器若出现故障，一般汽车的仪表上故

障灯会亮，对于一般的故障可用经验方法对其检验与

排除，例如，零件外观有无破损及配线有无断裂及损

伤，接头是否牢固。

2．利用自诊断系统检查故障。

若汽车自诊断系统检查出系统有故障码时，则要先找到此故障码相对应的传感器，（一般对转速传感器

而讲 2 线是磁感应式，3 线是霍尔感应式或光电式）。

（1）霍尔传感式：（如别克车出现 P0336－CKP、P0341－CM P 故障）我们可根据霍尔式转速传感器的

原理，先应检查输向传感器电源的电压是否正常，一

般两侧脚为传感器的输入电压，中央脚为信号线输出。

在输入电压正常的前提下，人为地使触发叶轮挡住磁

场，此时信号线输出处于高电位。人为地使触发叶轮

离开磁场，此时信号线输出应处于低电位。

（2）磁感应式：（如丰田车出现 12 码－NE 故障）我们可根据磁感应式转速传感器的原理，应先检

查传感器在工作状态下是否有交流电发出，有电发出

说明传感器基本工作正常，没电发出则检查转速传感

器的线圈电阻是否正常，再测量传感器与电脑之间电线的电阻值是否符合要求，适当时拆下传感器检查它与触发轮之间的间隙是否正常。有时检查磁感应式传感器的好坏，也可用起子在传感器触发头处来回移动，用万用表交流电压 2V 档，测它是否有电压输出，若有电压输出，则传感器一般为好的。

（3）对于霍尔感应式、光电式传感器也可利用发光二极管接在信号线上，在系统工作时看发光二极管有无闪烁，若有闪烁说明此传感器已工作。但此法一般不用于磁感应式传感器，因为磁感应式传感器若转速过低，磁感应产生电压很低，发光二极管闪烁不明显。若转速过高，信号频率过高，发光二极管也闪烁不明显。

（4）检查发动机转速传感器，有时利用汽车的发动机转速表进行判断，若发动机转速表正常说明发

动机传感器也正常。

3．在汽车修理实践中故障码并非是万能的，故障代码仅是一个是或否的界定结论，不可能指出故障的具体原因，而且若传感器的灵敏度下降（虽在 ECU 设定的范围之内，但反应迟钝、输出特性偏移等），则自诊断系统就检测不出来了。这时若无故障码，但你可利用汽车专业的解码器读取汽车运行状态时的数据流。

仔细阅读各传感器在发动机各种工作状态下的数据，

与维修手册的资料相对比。若数据不同，应检查该传

感器的配线，或更换传感器。

4．汽车的数椐流一般只是反映电脑中的各传感器的数据，不能测量及反映各传感器输入的直接信号，

而且测量范围比较小，功能有限。要想真正地对传感

器信号进行彻底的分析，就要用汽车综合故障诊断

仪进行协助分析判断，对传感器单体进行针对性的全

过程检测，才能有助于排除传感器故障。

4.2 心得体会

通过这次课程设计的书写，资料搜索到设计的书写整一个过程，让我对过去课堂当中所学到的知识进行了一次系统性的回顾和强化，虽然没有真正做出实物，但是也是一次机会难得的实践学习，相当于一次毕业设计前准备工作。课程设计让我深入理解了单片机的魅力，单片机在生产生活的广泛应用，和单片机不可忽视的社会作用；提高了我的创新能力，扩展了我的想像，让我在没有任何实品的情况下，规划制作的内容、步骤、要点等等，敢想敢做是成功的一个重要的因素。

这次课程设计，我翻阅了很多的书籍和毕业论文，并上网搜索了很多关于单片机的系统的设计材料。并借鉴了许多期刊、论文、报告的指导，完成此课程设计。虽然在设计和

书写过程中，遇到了很多的问题，但是我都努力突破。当然，我也知道该系统还存在很多的不足，还有很多的地方需要创新或者新技术的改进。但是，完成的情况对于自己来说还是挺满意的。不过，希望自己在以后更加努力的学习，争取可以做出真正具有社会价值的东西来。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。回顾此次课程设计，使我懂得了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能服务社会，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。试验过程中，也对团队精神进行了考察，让我们在合作起来更默契，在成功后一起体会喜悦的心情。此次课程设计也让我明白了思路及出路，有什么不懂不明白的地方要及时查阅资料，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。

五、参考文献

[1]李东江编.上海别克轿车维修手册[M ].北京理工大学出版社，2000.12.

[2] 王学文，张志勇.传感器原理及应用[M]. 北京航空

航天大学出版社，2004.