集成开关型霍尔传感器在汽车发动机启动按钮中的应用

普通物理实验C课程论文题目集成开关型霍尔传感器在汽车发动机启动按钮中的应用学院物理科学与技术学院电子信息工程学院专业物理学（师范）年级2011级学号222011315231243姓名王黎阳指导教师雷衍涟论文成绩____________________________________答辩成绩____________________________________2012年12月13日1集成开关型霍尔传感器在汽车发动机启动按钮中的应用王黎阳西南大学物理科学与技术学院，重庆400715摘要：为了解决传统钥匙式按钮开关启动汽车发动机稳定性差、不方便、容易发生机械故障等问题，设计了一种利用集成开关型霍尔传感器制成的启动式按钮开关，并采用磁极正对霍尔传感器接近启动的启动方式以及单极磁场的磁输入方式，以A44E型霍尔开关为例应用于启动汽车发动机，实现了方便、快速、美观、成本低、性能稳定、可靠性高等特点。关键词：按钮开关；集成开关型霍尔传感器；A44E型霍尔开关；汽车发动机启动；1引言按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。按钮开关的结构种类很多，可完成启动、停止、正反转、变速以及互锁等基本控制。而在启动汽车发动机时，传统的钥匙式按钮开关操作复杂，需要钥匙这一开启工具，且容易造成机械故障。本文运用集成开关型霍尔传感器设计了一种新型启动式按钮开关，采用磁极正对霍尔传感器接近启动的启动方式以及单极磁场的磁输入方式，并以A44E型霍尔开关为例介绍它在汽车发动机启动时的应用，以实现方便、快速、准确、安全、美观等特点。2集成开关型霍尔传感器2.1集成霍尔开关的工作原理集成霍尔传感器是在制造硅集成电路的同时，在硅片上制造具有传感器功能的霍尔效应器件，因而使集成电路具有对磁场敏感的特性。集成开关型霍尔传感器是把霍尔器件的输出电压经过一定的阀值甄别处理和放大，而输出一个高电平或低电平的数字信号[1]。如图1所示，集成霍尔开关是由稳压器A、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）B、差分放大法器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。1,2,3代表集成霍尔开关的三个引出端点。2图1传感器结构原理图在输入端输入电压VC，经稳压器稳压后加载霍尔电势发生器两端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，在垂直磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大后，送至施密特触发器，由触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到“工作点”（即BOP）时，触发器输出高电压（相对于低电位），使三极管导通，此时，OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”（即ＢRP）时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这时称其为“关”态。这样两次高低电压变换，使霍尔开关完成一次开关动作。常见的霍尔开关有UGN3109、A44E和US5881[2]。2.2集成霍尔开关的输入特性传感器的磁输入基本有三种情况：单极磁场、双极磁场和交变磁场[3]。本文中主要应用单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和集成霍尔开关之间的距离。通过移动改变二者距离时，移动方向在磁铁与霍尔开关的轴心线方向上。当磁铁和霍尔开关移近到一定位置，霍尔开关接通，二者移开一定距离后，霍尔开关断开。特性测量结果因磁铁形状和大小的不同而不同。2.3集成霍尔开关的输出特性开关型霍尔传感器的特性如图2所示。其中，BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。图2输出特性当外加的磁感应强度超过工作点BOP时，传感器输出低电平；当磁感应强度降到工3作点BOP以下时，传感器输出电平不变，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和BRP之间的滞后使开关输出稳定可靠，这也就是集成开关型霍尔传感器的优良特性之一[4]。2.4集成霍尔开关的启动方式集成霍尔开关的启动方式一般分为3种[5]：磁极正对霍尔传感器接近启动。当磁极正对传感器接近时，典型的启动场强为20～40mT，或者有8～12mm的间距。磁极侧向经过霍尔传感器启动。当磁极侧向以0.9mm的间距经过传感器时，相当于对传感器进行一次“开”与“关”。磁路间断启动。当磁极正对霍尔传感器且间距固定时，若中间无铁磁性物质阻挡，磁路畅通，则传感器为开；若中间有铁磁性物质阻碍，磁路断，则传感器处于关状态。如图3。图3磁路变化启动霍尔传感器3集成开关型霍尔传感器在汽车发动机启动按钮中的应用3.1设计原理设计装置如图4所示。按钮开关为自复位式开关，按钮部位采用典型的积木式结构，由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成[6]，触头部位连接一块磁铁，另一块磁铁与其同极相对相离一定距离放置，两块磁铁处在同一轴心线上。在两块磁铁中央放置一个集成开关型霍尔传感器，当按钮按下，改变传感器上的磁感应强度，传感器通过相关电路发出一个脉冲，该脉冲通过相关电路，经放大升压后送至点火线圈，于是在点火线圈的次级线圈便产生供发电机各汽缸火花塞点火用的高电压。同时，两块磁铁由于相互排斥，按钮自动弹起回到“off”状态，与霍尔元件相连电路也回到初始状态。4图4按钮开关装置图3.2以A44E集成霍尔开关为例A44E芯片属于开关型的霍尔器件，其工作电压范围比较宽（4.5～18V），其输出的信号符合TTL电平标准，可以直接接到单片机的I／O端口上，而且其最高检测频率可达到1Mhz。A44E霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整期、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器、温度补偿电路和集电路开路的输出及组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号[7]。3.2.1A44E的磁输入检测A44E的磁输入为单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和A44E之间的距离。判定磁铁极性的方法是：把磁铁的两个极分别靠近A44E正面，当其OUT引脚电平由高变低时即为正确的安装位置，如图5所示。图5A44E判别磁铁极性经过实验得知，A44E只对磁铁的S极有响应而对N级没有丝毫响应。安装时一定要让磁铁的S极对准A44E的反应传感区。3.2.2A44E的导通距离测量在集成开关型霍尔传感器测量弹簧弹性系数的试验中，使用直径为6.004mm，长度为3.032mm的钕铁硼磁钢，测量其特性时，移动集成霍尔开关，且使移动方向在磁铁5与霍尔开关的轴心线方向上。实验测得霍尔开关导通时磁铁与霍尔开关之间距离（工作距离DOP）为7.0mm，霍尔开关断开时，二者距离（释放距离DRP）为8.5mm。可见，在用此型号磁铁时，导通点与释放点之间的距离值为1.5mm，其它形状和大小磁铁的测量结果略有不同。实验数据附表1。表1A44E霍尔开关特性参数测量数据记录表工作距离Dop/mm释放距离Drp/mm工作点Bop/mT释放点Brp/mT7.08.515.110.33.3基于安全考虑的改进启动信号发出后，首先由发动机智能保护系统接收，检查汽车状况是否正常，检查完毕后再传递启动信号给连接发动机的电路以启动发动机。如检查到车辆已启动，自动切断启动发动机电源，防止持续启动给相关部件造成损害。按钮设置电动锁，与车门的开闭连接为相关电路。当系统检测到车门打开时，车辆处于ACC状态，即接通汽车部分电器设备的电源，如CD、空调等，此时按钮为锁住状态，无法施加外力将按钮按下，并提醒车主将车门关闭后启动。4结语伴随着电子信息技术的迅速发展，电子技术在生活中的应用越来越普遍。集成开关型霍尔传感器具有无触点磨损、无火花干、扰功耗小、工作频率高、使用寿命长、结构牢固、体积小、抗震动、安装方便以及通过磁性触发、不怕灰尘、油污和盐雾等的污染或腐蚀的优点。目前，运用按钮开关启动汽车发动机只在部分高档车中出现，本文采用低成本、高可靠的开关型霍尔传感器，解决了传统钥匙式开关操作复杂、容易发生机械故障以及无安全保障等问题，具有方便、快速、美观、成本低、性能稳定、可靠性高等特点。本方案也可在工业生产操作中实现自动控制，具有广阔的推广应用价值。参考文献[1]方佩敏.新编传感器原理、应用、电路详解[M].电子工业出版社，1994.171-176.[2]张欣，陆申龙.新型霍尔传感器的特性及在测量与控制中的应用[J].大学物理，2002，21（10）：628-31.[3]成辉.传感器的理论与设计基础及其应用[M].国防工业出版社，1999.[4]张逸，章企，陆申龙.集成开关型霍尔传感器的特性测量和应用[J].大学物理实验，2000,13(2)：1—4[5]Honcywell公司，Milixis公司.集成霍尔传感器产品说明书[R],2000.[6]杨黎明.机械零件设计手册[M].国防工业出版社，1986.[7]杨继生，刘芬.霍尔传感器A44E在车轮测速中的应用研究[J].电子测量技术，2009，32(10)：100-102.致谢本文是在雷衍涟老师的悉心指导和关心下，由本人独立完成。从论文的选题、研究框架的确定、论文观点的形成直至最终定稿，都倾注了导师的大量心血。一年半来，实验老师们不仅引导我进入知识的殿堂，严谨的工作态度，一丝不苟的敬业精神，无不深深地感染着我，为我树立了学习的榜样，令我受益匪浅。谨此向普通物理实验老师们表示衷心的感谢。在论文的撰写、修改过程中，宿舍好友以及实验组成员的支持和鼓励，在此一并致以由衷的谢意！最后对本人撰写过程中引用过的论文以及专著的作者表示由衷的感谢。