集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用.doc

普通物理實(shí)驗(yàn)C課程論文題 目 集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用 學(xué) 院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院專 業(yè) 物理學(xué)（師范） 年 級 2011級 學(xué) 號 222011315231243 姓 名 王黎陽 指導(dǎo)教師 雷衍漣 論文成績 _ 答辯成績 _2012年12月13日集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用王黎陽西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715摘要：為了解決傳統(tǒng)鑰匙式按鈕開關(guān)啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性差、不方便、容易發(fā)生機(jī)械故障等問題，設(shè)計(jì)了一種利用集成開關(guān)型霍爾傳感器制成的啟動(dòng)式按鈕開關(guān)，并采用磁極正對霍爾傳感器接近啟動(dòng)的啟動(dòng)方式以及單極磁場的磁輸入方式，以A44E型霍爾開關(guān)為例應(yīng)用于啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了方便、快速、美觀、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：按鈕開關(guān)；集成開關(guān)型霍爾傳感器；A44E型霍爾開關(guān)；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；1引言按鈕開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用十分廣泛的主令電器。在電氣自動(dòng)控制電路中，用于手動(dòng)發(fā)出控制信號以控制接觸器、繼電器、電磁起動(dòng)器等。按鈕開關(guān)的結(jié)構(gòu)種類很多，可完成啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、變速以及互鎖等基本控制。而在啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)的鑰匙式按鈕開關(guān)操作復(fù)雜，需要鑰匙這一開啟工具，且容易造成機(jī)械故障。本文運(yùn)用集成開關(guān)型霍爾傳感器設(shè)計(jì)了一種新型啟動(dòng)式按鈕開關(guān)，采用磁極正對霍爾傳感器接近啟動(dòng)的啟動(dòng)方式以及單極磁場的磁輸入方式，并以A44E型霍爾開關(guān)為例介紹它在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)方便、快速、準(zhǔn)確、安全、美觀等特點(diǎn)。2集成開關(guān)型霍爾傳感器2.1集成霍爾開關(guān)的工作原理集成霍爾傳感器是在制造硅集成電路的同時(shí)，在硅片上制造具有傳感器功能的霍爾效應(yīng)器件，因而使集成電路具有對磁場敏感的特性。集成開關(guān)型霍爾傳感器是把霍爾器件的輸出電壓經(jīng)過一定的閥值甄別處理和放大，而輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號1。如圖1所示，集成霍爾開關(guān)是由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）B、差分放大法器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個(gè)基本部分組成。1,2,3代表集成霍爾開關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。圖1 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖在輸入端輸入電壓VC，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加載霍爾電勢發(fā)生器兩端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處于磁場中時(shí)，在垂直磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)有一個(gè)霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(jīng)放大器放大后，送至施密特觸發(fā)器，由觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場達(dá)到“工作點(diǎn)”（即BOP）時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓（相對于低電位），使三極管導(dǎo)通，此時(shí)，OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為“開”。當(dāng)施加的磁場達(dá)到“釋放點(diǎn)”（即RP）時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這時(shí)稱其為“關(guān)”態(tài)。這樣兩次高低電壓變換，使霍爾開關(guān)完成一次開關(guān)動(dòng)作。常見的霍爾開關(guān)有UGN3109、A44E和US58812。2.2集成霍爾開關(guān)的輸入特性傳感器的磁輸入基本有三種情況：單極磁場、雙極磁場和交變磁場 3。本文中主要應(yīng)用單極磁場，即施加磁場的方式是改變磁鐵和集成霍爾開關(guān)之間的距離。通過移動(dòng)改變二者距離時(shí)，移動(dòng)方向在磁鐵與霍爾開關(guān)的軸心線方向上。當(dāng)磁鐵和霍爾開關(guān)移近到一定位置，霍爾開關(guān)接通，二者移開一定距離后，霍爾開關(guān)斷開。特性測量結(jié)果因磁鐵形狀和大小的不同而不同。2.3集成霍爾開關(guān)的輸出特性開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖2所示。其中，BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖2 輸出特性當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過工作點(diǎn)BOP時(shí)，傳感器輸出低電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到工作點(diǎn)BOP以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。BOP和BRP之間的滯后使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集成開關(guān)型霍爾傳感器的優(yōu)良特性之一4。2.4集成霍爾開關(guān)的啟動(dòng)方式集成霍爾開關(guān)的啟動(dòng)方式一般分為3種5：磁極正對霍爾傳感器接近啟動(dòng)。當(dāng)磁極正對傳感器接近時(shí)，典型的啟動(dòng)場強(qiáng)為2040mT，或者有812mm的間距。磁極側(cè)向經(jīng)過霍爾傳感器啟動(dòng)。當(dāng)磁極側(cè)向以0.9mm的間距經(jīng)過傳感器時(shí)，相當(dāng)于對傳感器進(jìn)行一次“開”與“關(guān)”。磁路間斷啟動(dòng)。當(dāng)磁極正對霍爾傳感器且間距固定時(shí)，若中間無鐵磁性物質(zhì)阻擋，磁路暢通，則傳感器為開；若中間有鐵磁性物質(zhì)阻礙，磁路斷，則傳感器處于關(guān)狀態(tài)。如圖3。圖3磁路變化啟動(dòng)霍爾傳感器3集成開關(guān)型霍爾傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕中的應(yīng)用3.1設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)裝置如圖4所示。按鈕開關(guān)為自復(fù)位式開關(guān)，按鈕部位采用典型的積木式結(jié)構(gòu)，由按鈕帽、復(fù)位彈簧、橋式觸頭和外殼等組成6，觸頭部位連接一塊磁鐵，另一塊磁鐵與其同極相對相離一定距離放置，兩塊磁鐵處在同一軸心線上。在兩塊磁鐵中央放置一個(gè)集成開關(guān)型霍爾傳感器，當(dāng)按鈕按下，改變傳感器上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，傳感器通過相關(guān)電路發(fā)出一個(gè)脈沖，該脈沖通過相關(guān)電路，經(jīng)放大升壓后送至點(diǎn)火線圈，于是在點(diǎn)火線圈的次級線圈便產(chǎn)生供發(fā)電機(jī)各汽缸火花塞點(diǎn)火用的高電壓。同時(shí)，兩塊磁鐵由于相互排斥，按鈕自動(dòng)彈起回到“off”狀態(tài)，與霍爾元件相連電路也回到初始狀態(tài)。圖4按鈕開關(guān)裝置圖3.2以A44E集成霍爾開關(guān)為例 A44E芯片屬于開關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（4.518V），其輸出的信號符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機(jī)的IO端口上，而且其最高檢測頻率可達(dá)到1Mhz。A44E霍爾開關(guān)集成電路應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的磁敏電路，它是由電壓調(diào)整期、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償電路和集電路開路的輸出及組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓信號7。3.2.1A44E的磁輸入檢測A44E的磁輸入為單極磁場，即施加磁場的方式是改變磁鐵和A44E之間的距離。判定磁鐵極性的方法是：把磁鐵的兩個(gè)極分別靠近A44E正面，當(dāng)其OUT引腳電平由高變低時(shí)即為正確的安裝位置，如圖5所示。圖5A44E判別磁鐵極性經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得知，A44E只對磁鐵的S極有響應(yīng)而對N級沒有絲毫響應(yīng)。安裝時(shí)一定要讓磁鐵的S極對準(zhǔn)A44E的反應(yīng)傳感區(qū)。3.2.2A44E的導(dǎo)通距離測量在集成開關(guān)型霍爾傳感器測量彈簧彈性系數(shù)的試驗(yàn)中，使用直徑為6.004mm，長度為3.032mm的釹鐵硼磁鋼，測量其特性時(shí)，移動(dòng)集成霍爾開關(guān)，且使移動(dòng)方向在磁鐵與霍爾開關(guān)的軸心線方向上。實(shí)驗(yàn)測得霍爾開關(guān)導(dǎo)通時(shí)磁鐵與霍爾開關(guān)之間距離（工作距離DOP）為7.0mm，霍爾開關(guān)斷開時(shí)，二者距離（釋放距離DRP）為8.5mm。可見，在用此型號磁鐵時(shí)，導(dǎo)通點(diǎn)與釋放點(diǎn)之間的距離值為1.5mm，其它形狀和大小磁鐵的測量結(jié)果略有不同。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)附表1。表1 A44E霍爾開關(guān)特性參數(shù)測量數(shù)據(jù)記錄表工作距離Dop/mm釋放距離Drp/mm工作點(diǎn)Bop/mT釋放點(diǎn)Brp/mT7.08.515.110.33.3基于安全考慮的改進(jìn)啟動(dòng)信號發(fā)出后，首先由發(fā)動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)接收，檢查汽車狀況是否正常，檢查完畢后再傳遞啟動(dòng)信號給連接發(fā)動(dòng)機(jī)的電路以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。如檢查到車輛已啟動(dòng)，自動(dòng)切斷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電源，防止持續(xù)啟動(dòng)給相關(guān)部件造成損害。按鈕設(shè)置電動(dòng)鎖，與車門的開閉連接為相關(guān)電路。當(dāng)系統(tǒng)檢測到車門打開時(shí)，車輛處于ACC狀態(tài)，即接通汽車部分電器設(shè)備的電源，如CD、空調(diào)等，此時(shí)按鈕為鎖住狀態(tài)，無法施加外力將按鈕按下，并提醒車主將車門關(guān)閉后啟動(dòng)。4 結(jié)語伴隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在生活中的應(yīng)用越來越普遍。集成開關(guān)型霍爾傳感器具有無觸點(diǎn)磨損、無火花干、擾功耗小、工作頻率高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、抗震動(dòng)、安裝方便以及通過磁性觸發(fā)、不怕灰塵、油污和鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。目前，運(yùn)用按鈕開關(guān)啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)只在部分高檔車中出現(xiàn)，本文采用低成本、高可靠的開關(guān)型霍爾傳感器，解決了傳統(tǒng)鑰匙式開關(guān)操作復(fù)雜、容易發(fā)生機(jī)械故障以及無安全保障等問題，具有方便、快速、美觀、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。本方案也可在工業(yè)生產(chǎn)操作中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 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