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淺析STM32之霍爾傳感器模塊

2018年10月07日 15:41 作者:工程師譚軍 用戶評論(0
  霍爾傳感器
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  霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種,這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應,而半導體的霍爾效應比金屬強得多,利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)
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  磁場中有一個霍爾半導體片,恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下,I的電子流在通過霍爾半導體時向一側偏移,使該片在CD方向上產生電位差,這就是所謂的霍爾電壓。
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  霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化,磁場越強,電壓越高,磁場越弱,電壓越低,霍爾電壓值很小,通常只有幾個毫伏,但經集成電路中的放大器放大,就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用,需要用機械的方法來改變磁感應強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關,當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時,磁場偏離集成片,霍爾電壓消失。這樣,霍爾集成電路的輸出電壓的變化,就能表示出葉輪驅動軸的某一位置,利用這一工作原理,可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器,它要有外加電源才能工作,這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。
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  霍爾效應
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  霍爾效應從本質上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉。當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏轉就導致在垂直電流和磁場的方向上產生正負電荷的聚積,從而形成附加的橫向電場。對于圖一所示的半導體試樣,若在X方向通以電流Is,在Z方向加磁場B,則在Y方向即試樣A,A′電極兩側就開始聚積異號電荷而產生相應的附加電場。電場的指向取決定于測試樣品的電類型。顯然,該電場是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移,
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  當載流子所受的橫向電場力eEH與洛侖茲力相等時,樣品兩側電荷的積累就達到平衡,故有
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  ⑴
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  其中EH為霍爾電場,V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設試樣的寬為b,厚度為d,載流子濃度為n,則
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  ⑵
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  由⑴、⑵兩式可得
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  ⑶
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  即霍爾電壓VH(A、A′電極之間的電壓)與ISB乘積正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù) 稱為霍爾系數(shù),它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數(shù),只要測出 VH(伏)以及知道IIs(安)、B(高斯)和d(厘 米)可按下式計算RH(厘米3/庫侖)
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  分類
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  霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。
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  (一)開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級組成,它輸出數(shù)字量。開關型霍爾傳感器還有一種特殊的形式,稱為鎖鍵型霍爾傳感器。
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  (二)線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,它輸出模擬量。
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  線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。。
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  開關型
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  如圖4所示,其中Bnp為工作點“開”的磁感應強度,BRP為釋放點“關”的磁感應強度。當外加的磁感應強度超過動作點Bnp時,傳感器輸出低電平,當磁感應強度降到動作點Bnp以下時,傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放點BRP時,傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健np與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。
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  鎖鍵型
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  如圖5所示,當磁感應強度超過動作點Bnp時,傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废螅漭敵鰻顟B(tài)保持不變(即鎖存狀態(tài)),必須施加反向磁感應強度達到BRP時,才能使電平產生變化。
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  線性型
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  輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系,如圖3所示,可見,在B1~B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度,磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
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  開環(huán)式電流傳感器
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  由于通電螺線管內部存在磁場,其大小與導線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測量出磁場,從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸,不影響被測電路,不消耗被測電源的功率,特別適合于大電流傳感。
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  霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當電流通過線圈時產生磁場,則霍爾傳感器有信號輸出。
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  閉環(huán)式電流傳感器
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  磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器,也稱補償式傳感器,即主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產生的磁場通過一個次級線圈,電流所產生的磁場進行補償, 從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。
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  磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為:當主回路有一電流通過時,在導線上產生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上, 所產生的信號輸出用于驅動相應的功率管并使其導通,從而獲得一個補償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產生磁場 ,該磁場與被測電流產生的磁場正好相反,因而補償了原來的磁場, 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數(shù)相乘 所產生的磁場相等時,Is不再增加,這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ,此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡,霍爾器件就有信號輸出。經功率放大后,立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡,所需的時間理論上不到1μs,這是一個動態(tài)平衡的過程。

  實驗前提

  1、在進行本文步驟前,請先閱讀以下博文:

  暫無

  2、在進行本文步驟前,請先實現(xiàn)以下博文:

  暫無

  五、基礎知識

  1、霍爾傳感器是什么?

  答:霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。

  用磁鐵去靠近霍爾傳感器時,霍爾傳感器的引腳電平會產生變化。

  2、霍爾傳感器主要用在什么地方?

  答:霍爾傳感器可測速、計數(shù)、限位上。

  舉例限位功能:兩個霍爾傳感器形成45°的夾角,電機邊緣粘著一個磁鐵,一旦電機轉動導致磁鐵觸發(fā)任意其中一個霍爾傳感器,則STM32檢測到觸發(fā)后立刻停止電機,不能再繼續(xù)往此方向轉動。以此達到限制電機轉動角度的作用。

  3、本文使用的是什么霍爾傳感器模塊?

  答:

  香瓜買的霍爾傳感器模塊一共有四個引腳,GND、VCC、D0、A0。

  其中只需要用到三根線,GND、VCC、D0。(A0不知做啥用的,計數(shù)?)

  使用方法:

  1)5V供電

  2)用跳線連接D0和STM32的IO口(本文連接的是PA11)。

  3)D0默認是高電平,但磁鐵的特定一面(磁鐵另一面無用)去靠近霍爾傳感器模塊時,D0會被拉低。

  4、霍爾傳感器與限位開關有什么區(qū)別?

  答:

  1)限位開關

  ①優(yōu)點:無功耗。

  ②缺點:易損壞。

  2)霍爾傳感器

  ①優(yōu)點:不易損壞。

  ②缺點:有功耗。

  六、實驗步驟

  1、編寫并添加霍爾傳感器驅動

  1)編寫驅動GUA_Hall_Sensor.c(存放在“……\HARDWARE”)

  //******************************************************************************

  //name: GUA_Hall_Sensor.c

  //introduce: 霍爾傳感器驅動

  //author: 甜甜的大香瓜

  //email: 897503845@qq.com

  //QQ group 香瓜單片機STM8/STM32(164311667)

  //changetime: 2017.03.06

  //******************************************************************************

  #include “stm32f10x.h”

  #include “GUA_Hall_Sensor.h”

  /*********************宏定義************************/

  //霍爾傳感器引腳

  #define GUA_HALL_SENSOR_PORT GPIOA

  #define GUA_HALL_SENSOR_PIN GPIO_Pin_11

  //消抖總次數(shù)

  #define GUA_HALL_SENSOR_DISAPPERAS_SHAKS_COUNT 500000

  /*********************內部變量************************/

  static GUA_U32 sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_IdleCount = 0; //消抖時的空閑狀態(tài)計數(shù)值

  static GUA_U32 sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_TriggerCount = 0; //消抖時的觸發(fā)狀態(tài)計數(shù)值

  /*********************內部函數(shù)************************/

  static void GUA_Hall_Sensor_IO_Init(void);

  //******************************************************************************

  //name: GUA_Hall_Sensor_IO_Init

  //introduce: 霍爾傳感器的IO初始化

  //parameter: none

  //return: none

  //author: 甜甜的大香瓜

  //email: 897503845@qq.com

  //QQ group 香瓜單片機之STM8/STM32(164311667)

  //changetime: 2017.03.06

  //******************************************************************************

  static void GUA_Hall_Sensor_IO_Init(void)

  {

  //IO結構體

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  //時鐘使能

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

  //霍爾IO配置

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GUA_HALL_SENSOR_PIN;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;

  GPIO_Init(GUA_HALL_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStructure);

  }

  //******************************************************************************

  //name: GUA_Hall_Sensor_Check_Pin

  //introduce: 霍爾傳感器檢測觸發(fā)狀態(tài)

  //parameter: none

  //return: GUA_HALL_SENSOR_STATUS_IDLE or GUA_HALL_SENSOR_STATUS_TRIGGER

  //author: 甜甜的大香瓜

  //email: 897503845@qq.com

  //QQ group 香瓜單片機之STM8/STM32(164311667)

  //changetime: 2017.03.06

  //******************************************************************************

  GUA_U8 GUA_Hall_Sensor_Check_Pin(void)

  {

  //沒觸發(fā)

  if(GPIO_ReadInputDataBit(GUA_HALL_SENSOR_PORT, GUA_HALL_SENSOR_PIN) == SET)

  {

  //計數(shù)

  sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_IdleCount++;

  sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_TriggerCount = 0;

  //判斷計數(shù)是否足夠

  if(sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_IdleCount 》= GUA_HALL_SENSOR_DISAPPERAS_SHAKS_COUNT)

  {

  return GUA_HALL_SENSOR_STATUS_IDLE;

  }

  }

  //觸發(fā)

  else

  {

  //計數(shù)

  sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_IdleCount = 0;

  sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_TriggerCount++;

  //判斷計數(shù)是否足夠

  if(sGUA_Hall_Sensor_DisapperasShakes_TriggerCount 》= GUA_HALL_SENSOR_DISAPPERAS_SHAKS_COUNT)

  {

  return GUA_HALL_SENSOR_STATUS_TRIGGER;

  }

  }

  return GUA_HALL_SENSOR_STATUS_DISAPPERAS_SHAKS;

  }

  //******************************************************************************

  //name: GUA_Limit_Switch_Init

  //introduce: 霍爾傳感器初始化

  //parameter: none

  //return: none

  //author: 甜甜的大香瓜

  //email: 897503845@qq.com

  //QQ group 香瓜單片機之STM8/STM32(164311667)

  //changetime: 2017.03.06

  //******************************************************************************

  void GUA_Hall_Sensor_Init(void)

  {

  //初始化IO

  GUA_Hall_Sensor_IO_Init();

  }

  2)編寫驅動頭文件GUA_Hall_Sensor.h(存放在“……\HARDWARE”)

  //******************************************************************************

  //name: GUA_Hall_Sensor.h

  //introduce: 霍爾傳感器驅動的頭文件

  //author: 甜甜的大香瓜

  //email: 897503845@qq.com

  //QQ group 香瓜單片機之STM8/STM32(164311667)

  //changetime: 2017.03.06

  //******************************************************************************

  #ifndef _GUA_HALL_SENSOR_H_

  #define _GUA_HALL_SENSOR_H_

  /*********************宏定義************************/

  //類型宏

  #ifndef GUA_U8

  typedef unsigned char GUA_U8;

  #endif

  #ifndef GUA_8

  typedef signed char GUA_8;

  #endif

  #ifndef GUA_U16

  typedef unsigned short GUA_U16;

  #endif

  #ifndef GUA_16

  typedef signed short GUA_16;

  #endif

  #ifndef GUA_U32

  typedef unsigned long GUA_U32;

  #endif

  #ifndef GUA_32

  typedef signed long GUA_32;

  #endif

  #ifndef GUA_U64

  typedef unsigned long long GUA_U64;

  #endif

  #ifndef GUA_64

  typedef signed long long GUA_64;

  #endif

  //霍爾傳感器的觸發(fā)狀態(tài)

  #define GUA_HALL_SENSOR_STATUS_TRIGGER 0 //霍爾傳感器觸發(fā)

  #define GUA_HALL_SENSOR_STATUS_IDLE 1 //霍爾傳感器沒觸發(fā)

  #define GUA_HALL_SENSOR_STATUS_DISAPPERAS_SHAKS 2 //霍爾傳感器消抖中

  /*********************外部函數(shù)聲明************************/

  GUA_U8 GUA_Hall_Sensor_Check_Pin(void);

  void GUA_Hall_Sensor_Init(void);

  #endif

  3)工程中添加GUA_Hall_Sensor.c

  4)在MDK設置中添加串口驅動源文件路徑

  2、在應用層中調用

  1)添加驅動頭文件(main.c中)

  #include “GUA_Hall_Sensor.h”

  2)添加驅動初始化代碼(main.c的main函數(shù)中)

  //霍爾傳感器初始化

  GUA_Hall_Sensor_Init();

  3)添加測試代碼

  ①寫測試代碼(main.c中)

  static void GUA_Test(void)

  {

  U8 nGUA_Ret = 0;

  U8 nGUA_Stop = 0;

  while(1)

  {

  //檢測霍爾當前狀態(tài)

  nGUA_Ret = GUA_Hall_Sensor_Check_Pin();

  //檢測到霍爾被觸發(fā)

  if(nGUA_Ret == GUA_HALL_SENSOR_STATUS_TRIGGER)

  {

  nGUA_Stop = 1;

  }

  }

  ②調用測試代碼(main.c的main函數(shù)中)

  //測試代碼

  GUA_Test();

  七、注意事項

  暫無。

  八、實驗結果

  仿真并設置斷點在測試代碼的“nGUA_Stop = 1;”中,全速運行。

  用磁鐵去靠近模塊上的霍爾傳感器芯片,模塊上的led被點亮表示觸發(fā),同時工程中消抖之后會停止在斷點處,表示檢測到PA11處的霍爾傳感器觸發(fā)導致的低電平。


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