1、學習子情境1 霍爾傳感器與單片機 接口 學習情境三 脈沖式傳感器與單片機接口 3.1.1 霍爾傳感器任務原理3.1.2 霍爾元件的構造和根本電路3.1.3 霍爾元件的主要特性參數3.1.4 霍爾元件誤差及補償3.1.5 霍爾集成電路3.1.6 霍爾式傳感器的運用3.1.7 霍爾傳感器與單片機接口實例 3.1.1 霍爾傳感器任務原理半導體薄片置于磁場中，當它的電流方向與磁場方向不一致時，半導體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產生電動勢，這種景象稱霍爾效應。 產生的電動勢稱霍爾電勢 半導體薄片稱霍爾元件霍爾效應原理dIBRUHHBeFbUEHHBveeEH載流子受洛侖茲力載流子受洛侖茲力 霍

2、爾電場強度霍爾電場強度平衡形狀平衡形狀 BvEHbdneIv 電子運動平均速度電子運動平均速度 evnbdI 由于dIBneUH1霍爾電勢霍爾電勢霍爾常數霍爾常數 neRH1霍爾常數大小取決于導體的載流子密度：霍爾常數大小取決于導體的載流子密度：金屬的自在電子密度太大，因此霍爾常數小，霍爾電勢也小，金屬的自在電子密度太大，因此霍爾常數小，霍爾電勢也小，所以金屬資料不宜制造霍爾元件。所以金屬資料不宜制造霍爾元件。霍爾電勢與導體厚度霍爾電勢與導體厚度d成反比：成反比：為了提高霍爾電勢值，為了提高霍爾電勢值， 霍爾元件制成薄片外形。霍爾元件制成薄片外形。 BIKUHHneddRKHH1霍爾元件靈敏度

3、靈敏系數霍爾元件靈敏度靈敏系數 半導體中電子遷移率電子定向運動平均速度比空穴遷移率高，半導體中電子遷移率電子定向運動平均速度比空穴遷移率高，因此因此N型半導體較適宜于制造靈敏度高的霍爾元件，型半導體較適宜于制造靈敏度高的霍爾元件， 3.1.2 霍爾元件的構造和根本電路霍爾元件霍爾元件 n圖a中，從矩形薄片半導體基片上的兩個相互垂直方向側面上，引出一對電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環氧樹脂等封裝作為外殼。n圖b是霍爾元件通用的圖形符號。n圖c所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數值影響很大。

4、通常霍爾電極位于基片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。 n圖d是根本丈量電路 。 3.1.3 霍爾元件的主要特性參數當磁場和環境溫度一定時: 霍爾電勢與控制電流I成正比當控制電流和環境溫度一定時: 霍爾電勢與磁場的磁感應強度B成正比當環境溫度一定時: 輸出的霍爾電勢與I和B的乘積成正比 丈量以上電阻時，應在沒有外磁場和室溫變化的條件下進展。 BIKUHH霍爾元件的主要特性參數：(1) 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2) 額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在 空氣中產生10溫升時，對應的控制電流值 最大允許

5、控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對 應的控制電流值 (3) 不等位電勢Uo和不等位電阻ro n不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，假設元件所處位置的磁感應強度為零，測得的空載霍爾電勢。n不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決議的， r 0稱不等位電阻 (4) 寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的銜接是非完全歐姆接觸時，會產生整流效應。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產生溫差電勢(5) 霍爾電勢溫度系數 在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率。3

6、.1.4 霍爾元件誤差及補償1. 不等位電勢誤差的補償2. 溫度誤差及其補償1. 不等位電勢誤差的補償不等位電勢誤差的補償n可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。 電勢的補償電路 對稱電路 當溫度變化時，補償的穩定性要好些當溫度變化時，補償的穩定性要好些 2. 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償溫度誤差產生緣由：霍爾元件的基片是半導體資料，因此對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數都是溫度的函數。當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發生變化，從而使霍爾式傳感器產生溫度誤差。 減小霍爾元件的溫

7、度誤差 n選用溫度系數小的元件n采用恒溫措施n采用恒流源供電 恒流源溫度補償 )1 (TKKHOH霍爾元件的靈敏系數也是溫度的函數，它隨溫度的霍爾元件的靈敏系數也是溫度的函數，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數與變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數與溫度的關系溫度的關系 KH0 為溫度為溫度T0時的時的KH值；值； 溫度變化量；溫度變化量； 霍爾電勢的溫度系數。霍爾電勢的溫度系數。 T大多數霍爾元件的溫度系數是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而添加1+t倍。同時，讓控制電流I相應地減小，能堅持KHI不變就抵消了靈敏系數值添加的影響。 恒流源溫度補償電路 當霍爾元件的輸

8、入電阻隨溫度升高而添加時，當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而添加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流控制電流控制電流 siPPIRRRI00020溫度升到溫度升到T時，電路中各參數變為時，電路中各參數變為 )1 (0TRRii)1 (0TRRPP溫度為溫度為T0時時霍爾元件輸入電阻溫度系數；分流電阻溫度系數。 SiPPsiPpITRTRTRIRRRI)1 ()1 ()1 (0002 為使霍爾電勢不變，補償電路必需滿足為使霍爾電勢不變，補償電路必需滿足: 升溫前、后的霍爾電勢不變，升溫前、后的霍爾電勢不變， BIKUBIKUH

9、HHH220002200IKIKHHSiPPHsiPPHITRTRTRTKIRRRK)1 ()1 ()1 ()1 (00000000經整理，忽略經整理，忽略 高次項后得高次項后得 2T00iPRR當霍爾元件選定后，它的輸入電阻 和溫度系數 及霍爾電勢溫度系數 可以從元件參數表中查到 可以丈量出來，用上式即可計算出分流電阻 及所需的分流電阻溫度系數 值。 0iR0pR0iR3.1.5 霍爾集成電路 霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接運用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。 線性

10、型三端霍爾集成電路線性型霍爾特性 右圖示出了具有右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向當感受的磁場為正向 磁鋼的磁鋼的S S極對準霍爾極對準霍爾器件的正面時，器件的正面時， 輸輸出為正；磁場反向時，出為正；磁場反向時，輸出為負。輸出為負。 畫出線性范圍開關型霍爾集成電路 開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、壓電路、放大器、施密特觸發器、OC門集門集電極開路輸出門等電路做在同一個芯片

11、上。電極開路輸出門等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超越規定的任務點時，當外加磁場強度超越規定的任務點時，OC門門由高阻態變為導通形狀，輸出變為低電平；由高阻態變為導通形狀，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變門重新變為高阻態，輸出高電平。較典型的開關型霍為高阻態，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如爾器件如UGN3020等。等。開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門 施密特 觸發電路 雙端輸入、 單端輸出運放霍爾 元件.Vcc開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路OCOC門輸出的接線門輸出的接線開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性開關型霍爾集

12、成電路的史密特輸出特性 回差越回差越大，抗振動大，抗振動干擾才干就干擾才干就越強。越強。 當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉？回差為多少特斯拉？3.1.6 霍爾式傳感器的運用優點: 構造簡單，體積小，分量輕，頻帶寬，動態特性好和壽命長運用：電磁丈量：丈量恒定的或交變的磁感應強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數；自動檢測系統：多用于位移、壓力的丈量。1. 微位移和壓力的丈量微位移和壓力的丈量n丈量原理：n霍爾電勢與磁感應強度成正比，假設磁感應強度是位置的函數，那么霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。 n運用

13、：n位移丈量、力、壓力、應變、機械振動、加速度 產生梯度磁場的表示圖 位移量較小，適于丈量微位移和機械振動位移量較小，適于丈量微位移和機械振動 霍爾式壓力傳感器 彈簧管彈簧管 磁鐵磁鐵 霍爾片霍爾片 加速度傳感器 2. 磁場的丈量磁場的丈量在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應強度成正比，由于霍爾元件的構造特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應強度、高梯度磁場參數的丈量。cosBIKUHH霍爾電勢是磁場方向與霍爾基片法線方向之間夾角的函數。霍爾電勢是磁場方向與霍爾基片法線方向之間夾角的函數。運用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉速傳感器運用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉速

14、傳感器n1霍爾傳感器與單片機的硬件接口設計n 由霍爾元件構成的電機測速系統構造圖如下圖。該系統由3個模塊構成：霍爾測速模塊、單片機模塊和顯示模塊。 3.1.7 霍爾傳感器與單片機接口實例 電機測速系統構造圖電機測速系統構造圖 圖圖1 電機測速系統構造圖電機測速系統構造圖 霍爾測速模塊由鐵質的測速齒輪和帶有霍爾元件的支架構成。測速齒輪如圖2所示，齒輪厚度大于2 mm，將其固定在待測電機的轉軸上。將霍爾元件固定在距齒輪外圓1 mm的探頭上，霍爾元件的對面粘貼小磁鋼(如圖3所示)，當測速齒輪的每個齒經過探頭正前方時，改動了磁通密度，霍爾元件就輸出一個脈沖信號。 圖圖2 測速齒輪測速齒輪 圖圖3 霍爾

15、元件霍爾元件 基于霍爾傳感器和AT89C2051單片機的電機測速系統如圖4所示。電機轉速信號的采集元件選用霍爾元件DN6837。它是一個開關集成霍爾傳感器，由于它是OC門，故輸出端與電源之間必需接一個電阻。霍爾元件輸出的脈沖信號經過一級三極管放大，再送到單片機P3.3腳。 圖圖4 霍爾傳感器與單片機的硬件接口銜接圖霍爾傳感器與單片機的硬件接口銜接圖 單片機丈量電機轉速的根本原理就是丈量一定時間內進入單片機的脈沖數量，經過軟件處置就可以計算出電機的轉速。2霍爾傳感器與單片機的軟件接口設計霍爾傳感器與單片機的軟件接口設計系統軟件包括主程序、中斷處置程序、顯示程序和轉速計算程序。主程序完成系統初始化、