基于霍尔传感器的电子式车速里程表设计

刘燕

（山西大学商务学院信息学院，太原 030031）

基于霍尔传感器的电子式车速里程表设计

刘燕

（山西大学商务学院信息学院，太原 030031）

随着社会的进步和人们生活水平的提高，汽车已普及到千家万户，车速里程表是汽车必不可少的重要仪表之一，为驾驶员提供车辆当前车速及里程信息。随着汽车电子技术的不断发展，目前市场上的车速里程表以电子式为主。基于霍尔传感器的工作原理，分析车速和里程的计算方法，并设计一种以STC89C52单片机为核心，由霍尔传感器检测、LCD液晶显示、蜂鸣器报警提示、按键输入、掉电存储等模块组成的新型电子式车速里程表，除了具有实时显示车速、里程功能、超速报警功能，并且增加手动设置传感器磁珠个数和轮胎直径，以及掉电存储数据功能，具有结构简单、体积小、实时性强、精度高、安全可靠等优点。

电子式转速里程表；3144霍尔传感器；STC89C52单片机；LCD1602

0 引言

车速里程表[1]是由指示汽车行驶速度的车速表和记录汽车所行驶过距离的里程计组成的。目前有机械式和电子式两种。传统的车速里程表是机械式的，当汽车行驶时，变速器输出主轴带动里程表主动齿轮运转，主动齿轮运转带动被动齿轮旋转，进而使软轴内钢丝转动，带动驱动轴[2]。当汽车高速行驶时，容易使钢丝软轴疲劳断裂导致指示错误，软轴在高速容易变形以及迟滞，导致指示迟钝。软轴中的钢丝长时间和汽车高速运行时容易受到磨损从而影响稳定性。

转速里程表对于汽车行驶时十分重要，特别是在限速路段、高速路段、减速路段，车速的错误显示或者延迟，可能会导致严重的交通事故。而传统机械仪表价格昂贵，容易发生故障，并且精度也比较低，已不能满足现代汽车新技术、高度人性化、经济环保的要求，对其进行改进成为了必然，高性能转速里程表有着广阔的市场前景。随着汽车电子技术的发展，电子式车速里程表慢慢取代传统机械式车速里程表，根据霍尔效应[3]，将磁场信号转换为电信号，可以很好地对车速或者里程进行非接触式测量，从而增加电子车速里程表的稳定性、安全性和耐用性。

本文所设计的新型电子式转速里程表主要使用霍尔传感器实现对车速以及里程进行非接触式测量，以STC89C52单片机为核心[4]，由霍尔传感器检测、液晶显示、蜂鸣器报警提示、按键输入、掉电数据存储等模块组成，除了具有计算并实时显示车速[5]、里程功能、超速报警功能，并且增加了手动设置磁珠个数、轮胎直径和掉电存储数据功能，有结构简单、体积小、反应速度快、精度高、安全可靠等优点。车速里程表不但可以应用于汽车，还可以应用于放电机、电动机、卷扬机、加工机床等，测量电机的转速。

1 基于霍尔传感器的车速里程测量原理

1.1 霍尔原理

长是L，宽为b，厚度为d的霍尔元器件在方向是沿着长L的电场作用下，产生电流，电子也沿着长为L的方向发生移动。如果在沿着霍尔元器件宽度b的方向施加磁场信号，在磁场的作用下，产生洛仑兹力，大小可以通过如下公式计算：

公式（1）中：q表示载流子电荷量，V表示载流子速率，B为磁场强度，F表示洛伦兹力的大小。

电子的方向，由于洛仑兹力，改变了原先的运动轨迹，使得霍尔元器件的一端积累了大量的电子，霍尔元器件两端形成电势差，其电势差就是霍尔电压的大小，可以通过公式（2）计算：

公式（2）中，U为霍尔电场，R为霍尔常数，I为电流，d表示霍尔元器件的厚度，k是霍尔器件的灵敏系数，其等于霍尔常数除以d，代表霍尔元器件在单位电流与磁场强度下，产生的电动势。当I不变时，U与B正比。

1.2 里程计算原理

霍尔传感器根据汽车转轴盘上磁体与霍尔元器件相作用而生成脉冲信号。如果在转轴盘上有多个磁体，车轮每转一圈，多个磁体与霍尔元件相作用，就会形成多个脉冲信号。将脉冲信号输入到单片机的T1引脚，并设置其为最高中断优先级以确保脉冲计数的准确。根据公式（3）便可以计算，汽车行驶1KM所需要的圈数。

公式（3）中D轮胎外径，m为车轮上均匀固定的磁体个数。根据公式（4）和（5）可以计算计数器 1的TH1、TL1寄存器，当单片机计数器1发生中断，则汽车行驶里程就增加1KM。

1.3 车速计算原理

汽车的车速测量可以通过计算1s汽车转的圈数来计算，如下公式（6）。

公式（6）中，N1位表示汽车行驶1s轮胎转过的圈数，m表示车轮上均匀固定的磁体个数。单片机定时器0设置定时中断方式，定时时间为50ms，当中断20次时统计脉冲数，根据公式（6）就可以算出汽车行驶的车速。

2 硬件设计

2.1 硬件整体结构

该电子式车速里程表由STC89C52单片机最小系统、3144霍尔传感器、USB接口、LCD1602液晶显示、AT24C02存储器、蜂鸣器报警、键盘组成，其硬件结构如图1所示。其中，STC89C52[8]单片机最小系统是整个系统的核心控制部分；霍尔传感器采用3144，是一种使用半导体集成技术生产的磁敏电路，它由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组合而成，3144霍尔传感器输出的信号经过放大、整形后，转化为单片机能够识别的脉冲信号；LCD液晶显示器采用LCD1602，用于实时显示当前的车速与里程、安装在轮胎的磁珠个数，以及轮胎直径的大小；蜂鸣器用于超速报警提示；键盘用于设置轮胎的直径和磁珠个数。随着USB接口的普及，现在很多电脑已经没有UART串口，为了便于单片机与电脑通信，本系统采用CH340芯片，把单片机的通用串口转换为USB接口，与电脑主机连接，进行程序的片上调试和下载。

图1 硬件整体结构图

2.2 霍尔传感器模块

霍尔传感器采用3144，它输出的信号经过放大、整形后，把正负交变信号转化为单片机可以识别的脉冲信号，电路原理图和实物如图2和3所示。运算放大器采用LM393，它的引脚2与可调电阻连接，引脚3与霍尔传感器连接，引脚1与单片机的定时计数器T1中断引脚相连，由单片机捕捉脉冲信号并计数。

3 软件设计

汽车轮胎每转一圈，霍尔传感器输出一定数量的脉冲信号。经过放大、整形电路后，转化为单片机可以识别的脉冲信号，定时器1工作在计数方式，捕捉脉冲信号并计数，定时器0工作在计时方式，定时50ms后，计算车速和里程数，同时把计算好的车速和里程数实时显示在LCD液晶屏，并把数据保存在AT24C02外部存储器中。主程序流程图如图4所示，程序循环检测发生了以下哪种情况：

图2 霍尔传感器模块电路图

图3 霍尔传感器模块实物图

如果按键“1”被按下，则更改轮胎直径，并把更改后的轮胎直径显示在LCD液晶屏，同时保存在AT24C02外部存储器中；

如果按键“2”被按下，则修改安装在轮胎上磁铁个数，并把修改后的数量显示在LCD液晶屏，同时保存在AT24C02外部存储器中；

如果按键“3”被按下，则清除里程数，置为0，把内容显示在LCD液晶屏，同时保存在AT24C02外部存储器中；

检测汽车是否超速，如果超速则控制蜂鸣器报警；

检测定时是否到50ms，如果定时到50ms，把新的车速刷新到LCD液晶屏，同时保存在AT24C02外部存储器中；

检测里程数有无增加，如果有的话，把新的里程数显示到LCD液晶屏，同时保存在AT24C02外部存储器中。

图4 主程序流程图

4 结语

本文对基于STC89C52单片机的电子式转速里程表的核心技术、整体框架以及详细内容给出了全面的分析，并给出了电子式转速里程表的硬件电路设计以及软件设计过程，并且经过实验进行验证本次设计基本能够完成所需功能。与传统机械式车速里程表相比，本文设计的电子车速里程表具有如下优点：克服了传统接触式机械里程表在高速和长久使用后出现指示迟钝、错误的现象的缺点，具有结构简单、体积小、反应速度快、精度高、安全可靠等优点；本文设计的电子式车速里程表除了具有实时显示车速里程功能，还具有超速报警功能，当速度比较高的时候会报警提示，更加人性化；增加了手动设置传感器磁珠个数、轮胎直径更具不同的应用进行不同的设置，增加了灵活性，实用性。

[1]范雷云，汪超.浅谈汽车车速里程表设计[J].山西电子技术，2016(3)：20-21.

[2]古敏雄.汽车电子式车速里程表研究[J].中国高新技术企业，2015(9)：18-19.

[3]黄传河.传感器原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2015，4.

[4]张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与实践[M].上海：复旦大学出版社，2008.1.

[5]吴敏.一种基于单片机的速度测量系统[J].微计算机信息，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）

山西大学商务学院科研项目（No.2016008）

1007-1423（2017）26-0036-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.26.009

刘燕（1985-），女，山西太原人，硕士，研究方向为嵌入式系统与应用研究、聚类算法设计与分析

2017-06-27

2017-09-10