汽车车速检测系统设计概要

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1、目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21 论文综述21.1 车速检测系统的背景和意义21.2 车速检测系统的发展前景32 车速检测系统的设计思路33 系统单元模块选型33.1传感器选择33.2 单片机选型43.3 显示模块的选型43.4 报警电路选择53.5 程序语言的选择54 系统硬件设计64.1 AT89C51主控电路64.1.1 AT89C51的管脚说明64.1.2 复位电路74.1.3 晶振电路84.1.4 存储器AT24CO294.2 传感器电路模块介绍94.2.1 霍尔式车速传感器104.2.2 霍尔传感器的特性114.2.3 霍尔传感器引脚说明124.2

2、.4 霍尔传感器车速测量原理124.2.5 霍尔传感器的转速测量方法124.2.6 霍尔传感器设计电路124.3 显示模块的介绍134.3.1 LED数码管介绍134.3.2 LED数码管特性134.3.3 74HC573作用144.3.4 显示电路164.4 DM74LS14工作原理174.4.1 信号处理电路设计184.5 硬件总体设计195 软件设计196 总结19参考文献20附录A21附录B22致谢29汽车车速检测系统设计摘要;本次论文设计的是以AT89C51为核心，使用霍尔传感器CS3020测速，并于数码管上显示，当超速时具有语音警报功能的车速检测系统。论文简单的介绍了霍尔元件的原理

3、及应用，AT89C51单片机在系统中应用，分析了系统部分的硬件和软件的实现以及个单元硬件模块的选择。该系统采用霍尔元件非接触式车速传感器代替软轴传动，使车速表的安装位置不受距离的限制。该系统安装简单显示直观且价格便宜，因此具有良好的发展前景和市场价值。关键词:单片机；霍尔传感器；数码显示；语音报警The Design Of Vehicle speed detectionAbstract：In this paper , the vehicle speed detection system using the AT89C51 as the core.In this paper the design

4、 is speed detection system with voice alarm function when the speed limit.The system uses Hall-sensor CS3020 to measure speed with the AT89C51 as the core.This paper simply introduces the principle and adhibition of hall element and the application of the SCM AT89C51 in this system,analyzed the part

5、s of the system hardware and software implementation as well as the choice of a unit of hardware module.This system use Hall-element non-contact speed sensor instead of soft shaft transmission,that makes the installation position of the speed table not restricted by distance.The system is easy to in

6、stall display intuitive and cheaper prices,so it has good development prospects and market value.Keywords：Single-chip microcomputer；Hall-sensor；Digital display；Voice alarm 引言 如今汽车已经得到普及，高速公路上屡屡出现因汽车超速而引发的交通事故，汽车的安全性和人性化越来越受到人们的重视。以往传统的接触式传感器，采用电位计原理，电刷与电阻基体的摩擦极易导致触点磨损、电阻基体磨损，影响位置传感器的输出特性和使用寿命。然而传统接触

7、式传感器的以上缺点使得人们对其安全性产生了疑问。传感器作为汽车电子控制系统的信息反馈，其性能高低直接影响到汽车控制系统的稳定性和可靠性。所以非接触式传感器替代电位计式传感器代表着技术进步的发展方向。近几年来霍尔技术的快速发展，其抗电磁干扰能力和抗温漂能力大大提高，价格也逐步下降。霍尔式位置传感器取代电位计式成了大势所趋。目前已得到了广泛应用特别是在其测速方面。霍尔器件有许多优点。它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀1。因此霍尔元件适合应用于汽车车速的检测中。汽车上所使用的控制系统从功能上可分为传感器单

8、元、控制单元和执行单元部分。其中传感器单元体现的是汽车智能化技术的高低，有其独特的重要地位。对于传感器监测而言，汽车工况要求监视控制参数有很多都是非电量常数，因此汽车传感器被称为汽车控制系统的“眼睛”。传感器质量的好坏势必会对汽车各部位各组件监测和控制的质量产生直接影响，进而汽车的整体性能也将会有一定影响。如今霍尔型车速传感器已成为现代汽车控制系统的重要组成部分，对于这类车速传感器的特性进行测试和研究成为测试领域的又一重要研究方向。本系统简单说明了霍尔型车速传感器和测试系统的组成、结构原理和测试的方法，进而成功地研制了车速传感器测速系统，本系统是利用霍尔型车速传感器来研制与开发的。1 论文综述

9、1.1 车速检测系统的背景和意义 传统的机械式车速测量通过旋转磁场作用于转动盘，让转动盘和车速表指针一同发生同向偏转。而当电磁转矩和弹簧产生的阻力矩互相平衡的时候，指针的偏转就会停留在某一角度。使指针偏转角与车速成正比，所以可用来表示其车速。 机械式汽车车速检测系统具有明显的缺陷。因为表盘指针偏转角度与软轴的转动时所产生的磁力成正比，当转速较低的时候，所具有的磁力较小，使得随转速变化波动较大。所以低速的时候车速表指针的摆动较为剧烈、其测量和显示的精度通常不高。如果车辆的发动机采用的是后置式的，需要让车速表指针的偏转动力从变速箱经过软轴等传到驾驶室，此时软轴必然需要布置得很长，此时要将这种长度较

10、长的转动软轴在结构上布置合理，将会是件很困难的事情。 如今电子式测速测量系统更加智能，车速测量系统的功能也更加人性化，速度的显示更加直观功能也更加丰富，加上了里程累计、超速提醒等功能。当今用于测速的方法有很多，其中使用得多的有激光检测技术、红外检测技术、超声检测技术、视频检测技术、雷达检测、感应线圈检测和磁传感器检测技术。目前用于测速的传感器大多使用光电测速传感器，但是由于光电传感器极易受到外界光源的影响，使其误差存在甚至失去意义。霍尔传感器由于其发展速度快、稳定性强和操作方便，还可以通过增加钢磁个数使其准确度加强。目前越来越广泛的运用于车速测速系统中并得到大众的肯定。本论文设计的汽车测速系统

11、是为了降低高速上车辆超速造成的交通事故, 同时能将测得的车速实时显示,并自动判断是否超速。1.2 车速检测系统的发展前景随着汽车技术和电子计算机技术的发展以及现代先进制造技术、电子技术和计算机技术在现代汽车上的广泛应用，现代汽车的机构日趋复杂，各种功能装置也不断增多，各种信息不断增加，汽车车速已经成为汽车信息中心。新的技术快速发展，促使各生产商家积极进行新型汽车车速仪表的研究开发和大量生产。以往的车速检测一般都是软轴转动带动的误差大且不易实现，因此霍尔传感器的出现与发展，很快的应用于各种测速系统中，而且已有较成熟的技术在系统的设计和应用中可供参考。本次设计的汽车测速检测系统具有实时检测显示速度

12、功能，当超速时还具有自报警功能，而且可以通过手动看里程。本次设计的汽车测速检测系统就是利用霍尔传感器进行测速，其结构简单、测速准确、稳定性高、使用寿命长具有良好的发展前景。2 车速检测系统的设计思路本款汽车车速检测系统是利用霍尔传感器来实现测速的主要用于高速公路汽车行驶超速报警。当霍尔传感器采集到信号并将其放大，通过波形变换与整形传入到单片机P3.2口，单片机根据所写程序判断是否超速（超速标准为120公里每小时），如果超速通过P3.3口将信号传输给蜂鸣器，此时蜂鸣器发出响声。单片机还会根据传感器传入的信号在LED数码管实时显示速度，当想要知道所走里程可按一下按钮，此时LED数码管上将会显示出里

13、程，长按时消除里程,当离手时又变回速度显示。上电时本汽车测速系统会自动复位。本次设计系统的流程图如图2-1。3 系统单元模块选型3.1 传感器选择目前测速传感器用得比较广泛的有光电测速传感器和霍尔测速传感器。光电测速传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数从而测出旋转体旋转速度2。灵敏度较高，但容易受外界光源影响。利用霍尔元件测转速时，其内部拥有稳压电路，霍尔电势发生器，放大器，施密特触发器以及输出电路，其输出的电平和TTL电平互相兼容。在待测的旋转体转轴上安装一个圆盘，在圆盘上安装几对小钢磁，

14、如果小钢磁数量越多其分辨率也将越高。霍尔元件安装于小钢磁附近并固定好，直到旋转体以角速度W旋转的时，如果一个小钢磁转过霍尔元件时，霍尔元件就将输出一个脉冲，从而计算出单位时间的脉冲数，就可确定旋转体的速度，来达到测速的要求。 光电测速传感器受外界光源影响很大，不适合运动性物体的测速。集成化霍尔元件传感器拥有灵敏度好、可靠性强、体积较为小巧、传感器无需触点、不会造成磨损、其使用寿命长并且功耗低以及无需担心尘土、油污、湿热的影响等优点，在综合了汽车运动环境的需求，本系统选择使用霍尔传感器来进行速度检测。 是否超速 YCS3020波形整形51单片机蜂鸣器报警显示速度图2-1 汽车车速检测系统流程图3

15、.2 单片机选型单片机是一种可通过编程控制的微处理器，单片机芯片自身不能单独运用于某项工程或产品上，它需要靠外围数字器件或模拟器件的协调才可实现其本身的功能3。电子器件内部无一不用到单片机，而且大多数电器内部的主芯片就是由一块单片机来控制的。本次使用的是8051单片机，它的资料比较全，用的人多，市场大，其内部结构简单，适于本次编程使用。本次单片机选用AT89C51为核心。AT89C51应用广泛操作简单，也为大多数人所熟识。AT89C51提供了4K字节FLASH 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构和一个全双工串行通信口，还具有片

16、内振荡器以及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51价格便宜且功能丰富运用灵活I/O口丰富，符合汽车车速检测系统所需的要求。3.3 显示模块的选型目前用于显示的基本有液晶LCD显示板和二极管LED数码管显示。由于此次的车速检测系统构造简单且设计方便，汽车测速显示需要较高的刷新速率才能更加好的实现实时速度显示。所以本次选用的是比较简单的LED数码管来实现速度的显示

17、。LED数码管显示中分为静态显示和动态显示两种。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是每个数码管需要占用一个锁存器，硬件电路复杂。因为数码管都处于被点亮状态，所以需要的电流很大，当数码管的数量增多时，对电源的要求也就随之增高。数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的显示方式之一，每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，位元选通COM端电路由单片机控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。数

18、码管的动态显示其实是每个数码管轮流出现相应的字码，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人感觉好像数码管每位都同时显示，而其实只是数码管每位的显示轮流速度过快，以至于人眼已经无法从中分辨出来。数码管的动态显示需要在编程中写入消影程序，所以相对于静态显示来说编程复杂。但是动态显示在电路连接却大大简化了静态显示的复杂性，一般2个74HC573锁存就可以控制8个数码管，硬件电路简单。所以本次选用的是LED数码管的动态显示。3.4 报警电路选择蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印件、报警器、玩具、汽车电子设备、定时器等的电子产品中，用做发声器件。蜂鸣器主

19、要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。本论文选择的电磁式蜂鸣器来进行超速报警。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片以及外壳等组成4。接通电源后，振荡器产生的音频电流信号通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。电磁式蜂鸣器的外围电路简单，可以通过单片机控制驱动信号来使其发出不同音调的声音的电子讯响器。蜂鸣器的音调可以通过程序控制，适合用于对超速的报警来提醒司机们降低并控制好时速。 3.5 程序语言的选择由于C语言的使用非常方便，所以得到广泛的应用，有许多硬件开发都将应用到C语言编程，C语言的程序编程本身无需依赖机器的硬件系统，通常无

20、需修改或仅需简单的改动就能够把程序从不同系统中移植过来并直接利用。C语言里提供了许多的数学函数，并且支持浮点运算，C语言的开发效率很高，能够有效的缩短开发时间，并增加了程序可读性以及可维持性5。C语言常用语法不多，尤其是单片机的C语言常用语法更少，便于此次的程序编写。C语言简便、快捷、便于利用，所以本次使用C语言来编写程序。4 系统硬件设计4.1 AT89C51主控电路AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机6。AT89C205

21、1是一种带2K字节闪存具有可编程可擦除且只读存储器的单片机。51单片机的可擦除和只读存储器能够反复的擦除1000次。该器件是利用ATMEL高密度的非易失的存储器制造技术来制造的，其与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚互相兼容。由于把多 功能8位CPU以及闪速存储器组合于单个芯片里面，ATMEL的51单片机成为一种高效的微控制器。AT89C51单片机能够提供一种较高灵活性以及价格相对低廉的方案给嵌入式控制系统来使用。4.1.1 AT89C51的管脚说明AT89C51芯片如图4-1图4-1 AT89C51引脚图AT89C51有40个管脚，其中包括32个I/O口引脚和2个电源引脚还有2个时钟引脚

22、以及8个编程控制引脚。32个I/O口引脚又分为P0口、P1口、P2口和P3口，每个口都有八个引脚。P0口是双向的8位三态I/O口，每个口可独立控制，内部不具有上拉电阻，为高阻状态，不能正常的输出高/底电平需要外接电阻7。 P1口是准双向的I/O口每个口可独立控制，内自带上拉电阻，输入不具备锁存功能。当输入时必须先进行写1操作，因为其作为输出使用时没有高阻状态。P1.0和P1.1都具有另外一种功能分别为，T2定时器/计数器的外部输入和T2的外部控制端。P2口与P1口相似，不过P2口只有准双向的输入输出功能。P3口不仅具有准双向的输入输出功能，而且每个管脚都具有第二功能。其中P3.0和P3.1分别

23、具有串行输入输出功能；P3.2和P3.3分别具有外部中断0和外部中断一功能；P3.4和P3.5分别课作为定时器/计数器0外部输入端和定时器/计数器1外部输入端；P3.6和P3.7分别具有外部数据存储器写脉冲和外部数据存储器读脉冲功能。P3口功能表如表4-1表4-1 P3口第二功能说明标号引脚第二功能说明P3.010RXD串行输入口P3.111TXD串行输出口P3.212INT0外部中断0P3.313INT1外部中断1P3.414T0定时器/计数器0外部输入P3.515T1定时器/计数器1外部输如P3.616WR外部数据存储器写脉冲P3.717RD外部数据存储器读脉冲 编程控制引脚分别有外接时钟

24、引脚为18脚和19脚；单片机复位引脚为第9引脚；程序存储器允许输出控制端为第29脚；第30脚用于单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存，来实现低位地址和数据的隔离；31管脚用于EA接高电平时，单片机读取内部程序存储器。4.1.2 复位电路用户应用程序在运行过程中，有时会有特殊需求，需要实现单片机系统恢复（热启动之一），传统的8051单片机由于硬件上不支持此功能，所以用户需要用软件模拟实现，实现起来比较麻烦。由于本次汽车车速检测系统是基于单片机来控制编程的，单片机在启动时都需要复位，且用软件模拟来实现单片机系统的恢复比较麻烦。所以在单片机的外围电路就需要复位电

25、路。复位电路有3种分别为手动复位和上电复位以及积分型上电复位。本次所设定的复位电路比较特殊，由于需要看里程的需要所以复位电路采用的是手动复位的外围电路设计，但是功能确是上电自动复位，开关是看里程时使用的。复位信号及产生：单片机上第九引脚为RST引脚是复位信号的输入端。复位信号为高电平有效，其有效时间应持续24个晶振周期以上。若使用6MHZ的晶振，那么复位信号持续时间需要超过4微秒，这样才能完成复位操作。其中整个复位电路中包括内外芯片两部分。复位信号由外部电路所产生并将其传送到施密特触发器，然后由内复位电路在其机器周期的S5P2时刻来进行施密特触发器的输出采样，这样才能得到内部复位操作所需求的信

26、号8。 AT89C51单片机的复位基本思路原理复位信号是从RST引脚输入并被传送至芯片中的施密特触发器。如果系统正处于正常工作状态，并且振荡器稳定，那么此时的RST引脚具有一个高电平并且已经维持了2个机器周期(即为24个振荡周期)以上，那么CPU就能够响应并使系统进行复位。复位电路外接电路如图4-2图4-2 复位电路的外接电路图4.1.3 晶振电路单片机系统中都需要晶振，晶振在单片机系统中发挥着很大的作用，又称为晶体振荡器，它结合单片机内部的电路，从而产生单片机所需求的时钟频率，晶体振荡器提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度也将更快，单片机所有的指令能够准确执行全都是建立于单片机晶振所产生

27、的时钟频率。常用波特率通常按规范取为1200,2400,4800,9600，.，若采用晶振12MHZ或6MHZ，计算得出的T1定时初值将不是一个整数，这样通讯便会产生积累误差，进而产生波特率误差，影响串行通信的同步性能。能解决的方法只有调整单片机的时钟频率Fosc,通常采用11.0592MHZ晶振。因为它能非常准确地计算出T1定初值，即使对于较高的波特率（16900,19200），只要是标准通信速率，常采用11.0592MHZ的晶振可以得到非常准确的数值。正常的工作条件下，一般的晶振频率绝对精度通常能够处于百万分之五十。高级晶振的精度当然也就更高。有些单片机晶振能够由外加电压在一定范围内来进行

28、频率的调整，这个称之为压控振荡器。晶振用一种可以将电能以及机械能共同转化的晶体使其在共振状态下工作，用来提供稳定且精确的单频振荡。晶体振荡器能够为系统提供所需的时钟信号。正常情况下一个系统下只共用一个晶振，这是为了使各部分组件保持同步。当然有些通讯系统的基频和射频会使用不同的晶振，然后利用电子调整频率来保持系统各部分的同步9。本次汽车车速检测系统所使用的51单片机所用晶振频率为11.0592MHZ，外围电路图如下4-3。图4-3晶振外围电路4.1.4 存储器AT24CO2AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减

29、少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02的特性：数据线上的看门狗定时器；可编程复位门栏电平；高数据传送速率为400KHz和1C总线兼容；2.7V至7V的工作电压；低功耗CMOS工艺；16字节页写缓冲区；片内防误擦除写保护；高低电平复位信号输出；100万次擦写周期；数据保存可达100年；商业级、工业级和汽车温度范围。AT24C02的功能描述：支持总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。

30、主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，由于A0、A1和A2可以组成000111八种情况，即通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上，通过进行不同的配置进行选择器件。本次系统AT24C02的外围电路如图4-4。4.2 传感器电路模块介绍霍尔传感器是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。霍尔传感器首先是用来测磁场的，此外还可以被用来测量产生和影响磁场的物理量。霍尔传感器是由于人们根据霍尔效应用半导体材料制成的原件所以叫霍尔元件。霍尔传感器是一种磁场传感器。霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍尔元件

31、等组成。霍尔传感器广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔器件是利用半导体材料制成的一种器件，施加外磁场B使之与垂直于平面的方向一致，然后施加两外电场于平面方向两端，那么电子将会在磁场中运动，最后在器件的两个侧面间隙内产生霍尔电势。它的大小与电流大小以及外磁场成比例。霍尔开关传感器具有体积小，无需触点，良好的动态特性，使用寿命长等优点，因此在测量转动物体转速领域内应用十分广泛。本系统采用的CS3020是根据检测钢磁转过的次数转化成脉冲信号来实现速度的检测，同时也可以测里程。 图4-4 AT24C02外围电路4.2.1 霍尔式车速传感器 如今在汽车的应用中霍尔效应传感器具有十分

32、重要的地位，其主要是因为变速器周围的空间位置存在冲突。霍尔效应传感器作为一种固体传感器，它主要应用于曲轴转角以及凸轮轴的位置上，主要用于开关点火以及燃油喷射电路的触发；它还可应用于其它要求控制转动部件的位置以及对速度控制有要求的电路中。霍尔效应传感器（开关），是由一个理论上完全闭合的并包含永久磁铁以及磁极部分的磁路共同组成的，一个软磁铁叶片转子通过磁铁和磁极间的气隙，由叶片转子上的窗口可允许磁场不受影响的通过并最终到达了霍尔效应传感器，然而没有窗口的部分则会中断磁场，所以，叶片转子窗口所起到的作用是用于开关磁场，让霍尔效应如同开关一般达到打开或关闭的功能，因此一些设计者会将霍尔效应传感器以及一

33、些类似的电子设备，称为霍尔开关。此组件实际上就是一个开关设备，然而它的关键功能部件就是霍尔效应传感器来充当的。测试步骤把驱动轮顶起以便用来模拟行使状态，或者可以将汽车示波测试线加长用来进行行驶的测试。如若车轮开始转动，霍尔效应传感器就会产生一连串的脉冲信号，此脉冲个数会随着车速增加而增加，但其位置的占空比无论何种速度状态下将保持恒定不变。当车速传感器变高，相应的示波器上的波形脉冲相应的也将变多。如果确认从一个脉冲到另一个脉冲之间的幅度、频率以及形状都是一致的，那么就是说明幅度够大，正常情况下它等于传感器的供电电压，而且它两脉冲间隔相同，形状一致，并与预期的相同。在确定波形的频率和车速同步以及占

34、空比恒定不变之后，还要观察以下内容：1、观察波形是否具有一致性，并且检查波形顶部以及底部的尖角。2、观察幅度是否具有一致性，它的波形高度也应该相等，那时由于所给传感器的供电电压一直没变。有一些实例表现出波形底部或者顶部出现缺口或不规则。其实关键的是波形的稳定性不变，如果波形对地电位过高，也就是说明电阻过大或者传感器可能接地不良。3、观察因为行驶性能问题的产生以及故障码出现而导致的波形异常，就能够确定与他人反映的故障还有行驶性能故障产生的根本原因直接有关信号问题。即使霍尔效应传感器通常被设计在能高至150的温度下正常运行，但霍尔效应传感器的工作依然会受到温度的影响，有些霍尔效应传感器依然在一定的

35、温度下(冷或热)就会失效。当示波器显示的波形不正常时，可检查被干扰的线以及连接不良的线束，还需要检查示波器和连线，来确定有关部件转动是否正常(输出轴，传感器转轴等)。如果示波器显示故障，可以摇动线束，它可以为我们进一步判断，用来确定故障的根本原因是不是由于霍尔效应传感器的故障所造成的。4.2.2 霍尔传感器的特性霍尔元件工作是需要加控制电流的，这就需要知道控制电极间的电阻。霍尔电极输出霍尔电势，对外它是电源，这就需要知道霍尔电极之间的电阻。当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10摄氏度时，对应的控制电流值称为额定控制电流。因霍尔电势随控制电流的增加而线性增加，所以使用中选用尽可能大的控制电

36、流，因而需要知道元件的最大允许控制电流。当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有交流不等位电势，还有一个直流电势10。(一)线性型霍尔传感器的特性 输出电压和外加磁场强度呈线性关系，如图4-5。图4-5 霍尔传感器的线性关系 可见，在B1到B2磁感应强度范围里具有良好的线性度，如果磁感应强度不在此范围内则呈现饱和状态。(二)开关型霍尔传感器的特性如果外加磁感应强度超过了动作点Bop时，此时将会有低电平由霍尔传感器输出，如果磁感应强度降低至动作点Bop以下时，此时传感器的输出信号保持不变，直到磁感应强度降至释放点BRP时，传感器会由低电平变为高电平。Bop与BRP之间的滞后让此

37、开关动作更加可靠。如果磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出将会使高电平变为低电平，当外磁场消失后，传感器保持之前的输出状态（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。4.2.3 霍尔传感器引脚说明 霍尔传感器包括线性型霍尔传感器以及开关型霍尔传感器。该设计采用的是开关型霍尔传感器。它内部包含了稳压器，霍尔元件，差分放大器，施密特触发器以及集电极开路输出级。CS3020霍尔传感器有3个引脚。第一引脚接的是5V的电源；第二引脚接地；第三引脚为输出。由于传感器内部为集电极开路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取12k。上拉电阻在第一与第三引脚

38、之间。4.2.4 霍尔传感器车速测量原理霍尔传感元件对磁敏感，通常用在开关信号采集的有CS3020和CS3040等，这种传感器具有3引脚的器件，外形和三极管类似，只需接上电源，就可以工作，输出大多数为集电极开路（OC）门输出，它具有较宽的工作电压范围可供操作，而且方便使用。将钢磁贴在车轮上，车轮每转动一圈霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出车轮的转速。同样道理，根据车轮的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移也就是里程。通过电压比较器实现计数脉冲的输出，既可在单片机实验箱进行转速测量，也可直接将输出接到频率计或脉冲计数器，得到单位时间内的脉冲数，进行换算即可得

39、电机转速这样可少用硬件，不需编程。4.2.5 霍尔传感器的转速测量方法转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)，T法(测周期法)以及MPT法(频率周期法)。本系统采用的是M法(测频法)。因为转速是利用单位时间内的转数来变换得到的，其变换过程中通常是有一定规律的循环运动。依据霍尔效应原理，把一块永久磁钢安装于车轮转轴的转盘边沿。当转盘跟着侧轴旋转时，小磁钢也会同步旋转，把一个霍尔器件安装在转盘下方，转盘跟着轴旋转时，其经过磁钢时，磁钢所产生的磁场对其产生影响，此时霍尔器件有脉冲信号输出，脉冲信号的频率与车轮旋转速度成正比。脉冲信号的周期和车轮的转速有以下关系：n=

40、60/（PT） r/min其中n为车轮转速，P为车轮旋转一圈的信号个数，T为方波信号输出周期。根据公式就可以计算出小车的转速。4.2.6 霍尔传感器设计电路本次论文设计的是用霍尔传感器CS3020来进行信号的采集输出工作达到测速的目的，其外接电路图4-6。图4-6 传感器外接电路4.3 显示模块的介绍4.3.1 LED数码管介绍LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，七彩效果。单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设

41、计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果。LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类。显示效果：由于LED基本上属于电流敏感元件，它的正向压降分散性很大，而且还和温度有关，只有当数码管具有恒定的工作电流，并不受温度和其它因素的影响，才能使其具有良好的亮度均匀度。此外，如果温度发生变化，那么驱动晶片还必

42、须可以自动调节电流大小的输出来实现色差平衡温度补偿11。安全性：仅仅是短时间的电流超载也能够对发光管造成不可挽回的损坏。使用恒流驱动电路可有效防止因为电流故障而导致数码管内发光管的大面积损坏。此外，我们所使用的超大型积体电路具有级联延时开关特性。用来防止发光二极管因反向尖峰电压而带来的损害。超大型积体电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。4.3.2 LED数码管特性(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。(2)发光响应时间极短(01s)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。(4)寿

43、命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。性能：防水，防尘，防紫外线，耐压，耐破裂，耐高低温，耐燃，超强抗冲击老化。本次所用的就是LED数码管的共阴极接法其所显示数字对应的二进制电平信号如表4-2。表4-2共阴极数码管显示字段显示字符GFEDCBA十六进制001111113F1000011006210110115B310011114F4110011066511011016D611111017D7000011107811111117F911011116FA111011177B11111007CC011100139D101111051E111100179F111000171 单

44、片机中应用最为广泛的一种显示方式是数码管动态显示，数码管内有a,b,c,d,e,f,g,dp8个笔画，动态驱动能将全部的显示笔划同名端连在一起，此外增加位选通控制电路提供给各个数码管的公共极COM，各自独立的I/O线控制着各自的位选通。当单片机字形码输出时，各个数码管都将收到相同的字形码。因此我们只需将要显示字型码的数码管的位选通COM端打开，该数码管界面就会显示所需字形，没有选通的数码管就不会亮。本次选用的共阴极红色8位数码管。数码管功耗低寿命长操作简便。本次数码管与锁存器74HC573利用上拉电阻和单片机实行互联，由单片机输出信号，在锁存器上锁存由数码管显示,直到下一条指令到来并在锁存器里

45、实现锁存在数码管上得以显示。一个数码管可以显示的数有0到9还有包括英文字母A到F，本次由于是速度的显示所以只需要0到9的显示。4.3.3 74HC573作用74HC573是一种数字芯片，8数据锁存器主要用于数码管、按键等的控制。74HC573具有驱动能力，每个口输出电流可达35MA，也可作缓冲器使用。74HC573芯片器件的输入是和标准CMOS 输出兼容的；加上拉电阻，它们能和LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。74HC573引脚图如图4-7。图4-7 74HC573引脚图

46、74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。74HC573功能表如表4-3。表4-3 74HC573功能表输入输出输出使能（OE）锁存使能（LE）DQLHHHLHLLLLX不变HXXZX不用关心；Z表示高阻抗由真值表可以看出，当OE为高电平时，无论LE与D端

47、为何种电平状态，其输出都为高阻态。很明显，此时该芯片处于不可控状态，而我们将74HC573接入电路是必须要控制它的，因此再设计电路时也就必须将OE接低电平，所以实验板上的两个锁存器的OE都要接地。LE为使能信号端，LE有效时，输出端进入触发器，并被保存。OE为输出允许信号端，当OE为低电平时，存储在寄存器中的数据输出到输出端12。 当OE为低电平时，若LE为H时，D与Q同时为H或L；而当LE为L时，无论D为何种电平状态，Q都保持上一次的数据状态，也就是说，当LE为高电平时，Q端数据状态紧随D端数据状态变化；而当LE为低电平时，Q端数据将保持住LE端变化为低电平之前Q端的数据状态。因此我们将锁存

48、器的LE端与单片机的某一引脚相连，再将锁存器的数据输入端与单片机的I/O口相连，便可通过控制锁存器的锁存端与锁存器的数据输入端的数据状态来改变锁存器的数据输出端的数据状态。4.3.4 显示电路两个锁存器的数据输入端连接单片机的P0口，P0口同时加了上拉电阻。数码管中WE1，WE2，WE3是它们的位选端，每一个数码管对应一个位选端与第二个锁存器74HC573的数据输入端的低六位中的3位相连。第一个锁存器的数据输出端与数码管的引脚a,b,c,d,e,f,g,dp分别相连。两个锁存器的锁存端分别与P2.6和P2.7相连。单片机可以控制锁存端进而控制锁存器的数据输出，便可控制任意数码管显示任意数字。数

49、码管显示电路如图4-8。图4-8数码管显示电路4.4 DM74LS14工作原理DM74LS14是密特触发反相器，具有14个引脚。施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内的噪声干扰电路的正常工作。DM74LS14芯片引脚图如图4-9。图4-9 DM74LS14引脚图施密特触发器在性能上有两个特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正

50、反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡13。对于标准施密特触发器，如果输入电压比正向阈值电压高，那么输出高电平；如果输入电压比负向阈值电压低，那么输出低电平；如果输入电压处于正向阈值电压与负向阈值电压之间，那么输出电平保持不变。也就是说输出高电平跃变为低电平与低电平跃变高电平各自所处的阈值电压不同。只有输入电压具有足够的变化，输出电平才会翻转，所以把这种元件称为触发器。这种双阈值动作称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。施密特触发器的作用：施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有

51、滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开环配置中用于抗干扰，以及在闭环正反馈配置中用于实现多谐振荡器。施密特触发器可以利用简单的隧道二极管实现，这种二极管的伏安特性在第一象限中是一条“N”形曲线。振荡输入会使二极管的伏安特性从“N”形曲线的上升分支移动到另一分支，然后在输入值超越上升和下降翻转阈值时回到起点。不过，这类施密特触发器的性能可以利用基于晶体管的元件来提升，因为基于晶体管的元件可以通过非常直接的利用正反馈来提升翻转性能。施密特触发器可以增强单输入阀值的电路的抗干扰能力，由于只有一个输入阈值，阈值附近的噪声输入信号会导致输出因噪声来回地快速翻转。但是对于施密特触发器，阈值附近的噪声输

52、入信号只会导致输出值翻转一次，若输出要再次翻转，噪声输入信号必须达到另一阈值才能实现，这就利用了施密特触发器的回差电压来提高电路的抗干扰能力。本次设计的系统是利用DM74LS14施密特触发反相器来实现波形整流的。施密特触发电路的滞后特性如表4-4。表4-4 施密特触发电路滞后特性表上临界电压V1下临界电压V2滞后宽度V3V2噪声V1输入端信号上升到比上临界电压V1大时，触发电路使V0转态输入端信号下降到下比临界电压V2小时，触发电路使V0转态上、下临界电压的差值V3=V2-V1噪声在容许的滞后宽度范围内，V0维持稳定4.4.1 信号处理电路设计 系统信号的预处理电路由二级电路构成。开关三极管组

53、成的零偏置放大器被作为第一级，利用开关三极管能够保证放大器具备良好的高频响应。如果输入为零或负电压，那么三极管处于截止状态，且输出高电平。若果输入信号为正电压，那么三极管处于导通状态，此时电路的输出电压与输入电压成反比。这使得系统不但能够测量任意方波信号的频率而且能够测量出正弦波信号的频率。因为放大器的放大功能能降低待测信号的幅度要求，所以任意大于0.5V的正弦波与脉冲信号，系统都能对其进行测量。预处理电路第二级利用的是反相器DM74LS14内部带有施密特触发器能把放大器产生的单相脉冲换成能与COMS电平兼容的方波信号，并将输出信号传送到单片机的P3.2口上。施密特触发器状态变换过程中的正反馈

54、作用，能够将边沿变化平缓的周期性信号转换为边沿陡峭的矩形脉冲信号。只要输入信号幅度大于VT+，就能从施密特触发器输出端获得相同频率的矩形脉冲信号14。传感器获得的矩形脉冲经传输过后通常会发生波形畸变。如果传输线上的电容较大，那么波形上升沿将明显变坏；如果传输线较长，并且接受端阻抗和传输线阻抗不匹配，那么波形上升沿与下降沿将会发生振荡现象；如果其它脉冲信号经过公共电源线或导线间的分布电容与矩形脉冲信号发生叠加，此时信号上会出现噪声。上述情况无论发生哪一种，都能利用施密特反相触发器整形获得相对理想的矩形脉冲波形。只需施密特触发器VT+与VT-设置合适的值，均能受到满意的整形得到理想的波形。信号预处

55、理电路如图4-10所示。图4-10 信号处理电路4.5 硬件总体设计车速检测系统通过霍尔传感器的第三引脚输出信号，经过NPN三极管以及DM74LS14反相器的放大和整流传输到P3.2口。单片机处理后将值存储与AT24C02中，并于3位数码管中显示时速，同时判断是否超速，如果超速则蜂鸣器响。当按下复位键可看里程，长按复位键可清除AT24C02中存储的里程值。上电时将会对系统进行复位。硬件设计见附录A。5 软件设计 见附录B。6 总结 本系统是根据单片机和霍尔传感器来设计和开发的，针对高速上汽车行驶超速报警，对汽车车速的实时测量并于数码管显示，还具有里程显示功能。将霍尔车速传感器固定于车轮边缘用来

56、采集信号，利用单位时间内小磁钢经过次数来计算车速和里程。采集的信号经由反相器DM74LS14进行预处理后再由单片机进行处理。最终在数码管上显示车速，并判断是否超速，如若超速蜂鸣器报警。当司机想了解本次运行里程时可按一下按钮此时数码管上显示里程，长按时清除里程松手后数码管又返回显示车速。该系统能够较大程度对高速上汽车超速的司机起到警醒作用避免因超速所带来的安全隐患。 参考文献：1 王威涛，姜印平.基于霍尔效应的机械微振动动量控制系统研究J.传感器与微系统，2013，32（10）：34-35.2 付小宁，牛建军，陈靖.光电探测技术与系统M. 北京：电子工业出版社，2010：2-3.3 郭天祥.51

57、单片机C语言教程M. 北京：电子工业出版社，2009：11-12.4 张庄双.经典实用电路大全M. 北京：机械工业出版社，2008：162-163.5 夏涛.C语言程序设计M. 北京：北京邮电大学出版社，2012：4-4.6 刘同法.单片机C语言编程基础与实践M. 北京：北京航天航空出版社，2009：8-15.7 陈杰.3V单片机与5V电路的接口设计J. 机电产品开发与创新，2013，26（4）：138-140.8 李朝青.单片机原理及接口技术M. 北京：北京航空航天出版社，2009：38-39.9 甄成方，刘文怡，苏淑静.无线传感器网络的时间同步技术研究J. 传感器与微系统，2013，32（10）：49-50.10 徐科军.传感器与检测技术M. 北京：电子工业出版社，2011：142-144.11 吴援明.显示器件驱动技术M. 成都：电子科技大学出版社，2008：229-233.12 朱红，刘景萍.微机原理与接口技术M. 北京：清华大学出版社，2011：186-186.13 阎石.数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2006：186-186.14 张怀强.基于单片机与光电传感器的电动自行车速度与里程表的设计D. 山东：山东大学，2006：26-27.附录A 汽车车速检测系统的硬件总体设计附录B 汽车车速检测系统的程序设计/*