【摘 要】 汽车已成为人们日产生活中必不可少的出行方式之一。车辆行驶状况的测量关系到行车成本、安全等诸多方面。本文基于89c51单片机、霍尔传感器和液晶显示器设计了一款车辆行程及速度测量系统。系统中用玩具车轮代替实际车轮，在其上安装磁性物质，如很小的磁铁，磁性物质每通过霍尔传感器一次就产生一个脉冲，通过对脉冲信号计数，则可计算出车辆行驶里程及车速，并显示在液晶显示器上。本系统原理简单可靠，维护成本较低，可以在实际中推广。
【关键词】 霍尔传感器 脉冲计数 行程测量 车速测量 单片机
1 引言
小到当前各种智能车的控制，大到生产生活中各种车辆的运输成本优化及安全保证，车辆行程及车速的测量都发挥着很重要的作用。
当前普遍使用光电编码器来测量行程和车速，其原理是：将一圆盘与车轮同轴相连，圆盘上带有一定数量且按规律分布的孔洞，光源和接收装置分别置于圆盘两侧，工作时光源一直发出直线光束，由于孔洞的移动，接收装置按一定频率接收到光信号，通过计算频率可得到车速等信息。但是由于尘埃的影响或光源与接收装置相对位置的变换很容易导致测量结果的错误，甚至得不到结果。本文中的车辆行程及车速测量系统在具有光电编码器全部优点的前提下，同时克服了它的不足。磁信号的传输不受尘埃的影响，相对位置的微小变化也不会导致错误的结果，具有较高的可靠性和准确性，应用范围广阔。
2 系统原理：
2.1 霍尔传感器工作原理
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。wWW.11665.cOm霍尔效应是磁电效应的一种。在半导体薄片两端通以控制电流，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为的霍尔电压。
将霍尔效应与集成电路相结合，即可得到霍尔传感器。如图1左边所示，当霍尔传感器的磁接触面附近的磁感应强度达到时，传感器输出电压将由低电平转换为高电平；当磁感应强度回落到时，输出电压又由高电平转换为低电平。当磁感应强度变化较快时，传感器输出电压就相当于一个脉冲信号，如图1右边所示。
2.2 脉冲计数原理
在轮子的边沿处贴上磁性物质，将车轮转轴与霍尔传感器磁接触面的相对位置固定，如图2所示。当车轮转动时，磁性物质周期性地经过霍尔传感器的磁接触面，传感器的输出电压信号就会呈现出如图1右边的脉冲信号。对这些脉冲信号进行计数，同时用单片机进行计时。车辆行驶的里程数就是单片机接收到的脉冲数与车轮周长的乘积，车速就是行程与计时时间的商。
图2所示的系统中，车轮每转一周会产生一个脉冲。也可以在车轮上按一定的角度分布个磁性物质，这时车轮每转一圈产生个脉冲信号，得到的结果也就更精确。
3 车辆行程及车速测量算法
假设车轮半径为，其上分布了个磁性物质，时间内接收到个脉冲信号。根据假设条件可知车轮周长为
（1）
由于车轮周边分布了个磁性物质，故每转一圈会产生个脉冲信号。为求得行车里程，必须先求出车轮转动的圈数，圈数与车轮周长的乘积就是行车里程数，则有
（2）
这里假设的时间是指整个行车过程的总时间，用它可求出整个过程的平均速度为
（3）
但是我们常常更关注的是行车过程中的瞬时速度。此处可以使用单片机定时，获得该段时间内的脉冲数，依照上述方法可得出瞬时速度。在车轮上只有一处磁性物质的条件下，当车轮没有完整转动一圈时，传感器就会少产生一个脉冲信号，进而引起误差，此时的最大误差为；车轮上有两处磁性物质时，最大误差为；车轮上有三处磁性物质时，最大误差为；以此类推，可得车轮上有个磁性物质时，行程测量误差和速度误差分别为
（4）
4 系统硬件结构设计
系统硬件主要由两部分组成，一是位于车轮上的磁性物质以及与车轮相对位置保持不变的霍尔传感器磁接触面；二是用于数据处理的单片机和液晶显示器部分。系统结构图和实物图分别如图3所示。
车轮转动时，霍尔传感器磁接触面感应到磁场的周期变化，输出脉冲信号。单片机对脉冲信号进行计数，算出单位时间内的速度，整个行车过程中的平均速度，以及行车路程。4*4的编码键盘用于一些简单的命令的输入，例如该系统的启停操作、数据清零或数据备份等等。
5 结语
本文介绍的车辆行程及速度测量系统具有原理简单、工作稳定、结果准确、操作简洁、维护方便等诸多优点。从小的方面看，以“飞思卡尔”智能车比赛为代表的许多智能车的控制需要速度反馈，当前普遍采用的是光电编码的形式，实际上车辆行程及速度测量系统完全能够取代光电编码。从大的方面来说，我们日常生活中的出租车计费系统也可以采用霍尔传感器的方式来进行计费。综上所述，本文介绍的车辆行程及速度测量系统具有十分广泛的应用场景。
参考文献：
[1]黄勤.单片机原理及应用[m].北京：清华大学出版社，2005.
[2]陈棣湘，潘孟春，罗飞路等.基于霍尔传感器的高准确度磁场测量方法[j].传感器技术，2004，23（2）：59—61.
