霍爾傳感器在時鐘電路中的應(yīng)用

南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 張龍娟

目前霍爾元件已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，應(yīng)用最多的是GaAs和InSb。利用蒸發(fā)InSb制作的霍爾元件，其霍爾電勢大，但工作溫度范圍狹窄，霍爾電勢的溫度特性差，磁場的線性度范圍狹窄，因而應(yīng)用范圍受到限制。GaAs的霍爾電勢雖小，但熱穩(wěn)定性好，已逐漸成為主流產(chǎn)品。

霍爾傳感器輸出電壓信號穩(wěn)定，只要存在磁場，霍爾元件總是產(chǎn)生相同的電壓，并且輸出信號電壓的大小與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即使是在發(fā)動機起動的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，仍能夠獲得較高的檢測準確度。下面是利用霍爾傳感器設(shè)計的時鐘電路。

一、霍爾傳感器時鐘工作原理

1.記數(shù)分析

霍爾傳感器作為計數(shù)來用是比較常見的，通過改變它的磁場變化使得輸出的霍爾電勢變化接入后續(xù)電路進而計數(shù)。這個簡單的原理卻是我的霍爾傳感器時鐘的核心。

首先，將大號齒輪安裝在電動機上（這里采用的是電動機，也可以采用發(fā)條等啟動物件），再將中號齒輪安裝在大號齒輪上，最后將小號齒輪安裝在中號齒輪上，三個霍爾傳感器靠近各自齒輪的側(cè)面，（其中大號齒輪和中號齒輪均有6O個齒槽，小號齒輪24個齒槽），當電動機開始運轉(zhuǎn)時（設(shè)定大號齒輪齒與槽之間交替為1秒鐘），運轉(zhuǎn)的電動機帶動大號齒輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的大號齒輪的齒正對霍爾傳感器時，磁場強度增加，霍爾傳感器輸出的霍爾電勢變大，接入后續(xù)電路輸出一個信號，而當大號齒輪的槽正對霍爾傳感器時，磁場強度減弱，霍爾傳感器輸出的霍爾電勢變小，接入后續(xù)電路的也輸出一個信號，當這兩個不同的信號交替出現(xiàn)時，經(jīng)過后續(xù)電路處理后進行計數(shù)，而由于齒與槽之間的交替時間正好是一秒鐘，所以轉(zhuǎn)了一圈的大號齒輪，即計時了6O秒，它的作用正好相當于秒鐘。而同時安裝在大號齒輪上的中號齒輪隨即動一下（即原本中號齒輪的齒正對霍爾傳感器時，當大號齒輪轉(zhuǎn)了一圈后，中號齒輪就動一下，使它的槽對霍爾傳感器）這樣它也輸出一個信號，同理，當大號齒輪轉(zhuǎn)六十圈，它（中號齒輪）轉(zhuǎn)一圈。即計時6O分鐘，他的作用相當于分鐘，最后，當中號齒輪轉(zhuǎn)一圈小號齒輪動一下，（其原理和大號齒輪轉(zhuǎn)一圈中號齒輪動一下是一樣的。）它轉(zhuǎn)了一圈，即計時24個小時，相當于時鐘。接入后續(xù)電路即可做成電子時鐘。（其中小、中、大三個齒輪安裝是剛剛好的，即在調(diào)時間時可以輕松調(diào)動，而在正常工作時又不會松動，影響時鐘準確性。）

2.信號處理電路的選用

經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換和放大器放大的電信號，由于測試環(huán)境的電磁干擾、傳感器和放大器自身的影響，往往會含有多種頻率成分的噪音信號。嚴重時，這種噪音信號會淹沒待提取的輸入信號，造成測試系統(tǒng)無法獲取被測信號。在這種情況下，需要采取濾波措施，抑制不需要的雜散信號，使系統(tǒng)的信噪比增加，在此選用了有源濾波器中的低通濾波器。根據(jù)低通濾波器幅頻特性，確定有限增益低通濾波器的線路圖。

3.實時顯示與記錄電路

采用LED制成的七段數(shù)碼管來表示時鐘的時間。

二、霍爾傳感時鐘的電路分析（含框圖）

1.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的原理框圖（霍爾傳感器時鐘電路）。

2.電路分析：

當晶體振蕩器產(chǎn)生頻率為fc的穩(wěn)定信號，經(jīng)過放大、整形后換成理想的矩形脈沖信號。若經(jīng)過分頻器所得標準信號的頻率fo與要求的時間t相對應(yīng)（t=1/fo），則可以直接驅(qū)動控制電路，產(chǎn)生相應(yīng)的計數(shù)、顯示、清零和“門”電路的開關(guān)控制信號，實現(xiàn)對霍爾集成電路輸出的fx的測量和顯示。（核心思想）

即：當小、中、大齒輪上的霍爾傳感器（轉(zhuǎn)速傳感器）記錄數(shù)據(jù)記錄時，通過放大電路進入“門”電路，而這時，晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率也經(jīng)放大、整形后送入“門”電路，這時振蕩器產(chǎn)生的頻率將傳感器輸送來的數(shù)據(jù)處理送入后續(xù)電路，即在顯示器上顯示時鐘數(shù)據(jù)。

三、該時鐘電路在不同實踐中的擴展和延伸

該設(shè)計的優(yōu)勢是不但可以作為時鐘，而且只要稍加改進就可以作為定時器；測量距離；測轉(zhuǎn)速；作開關(guān)，可謂是功能強大。下面將舉一個對該設(shè)計稍加該進后測量布匹長度的例子：

測量傳感器一側(cè)采用兩支霍爾元件，按照一定間隔固定在柱形槽內(nèi)，其引腳（+5V、GND、A/B）通過軟線引至輸出插座；另一側(cè)齒輪與轉(zhuǎn)軸通過軸承固定在圓柱形外殼的軸線上。齒輪圓周上均勻嵌上4個圓形磁鋼。當電動機啟動，轉(zhuǎn)動軸帶著齒輪順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)時，A、B兩個信號端便會產(chǎn)生具有一定相位差（約9Oo）的脈沖信號，借助于A、B兩相脈沖的超前與滯后關(guān)系，可以識別出傳感器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，對A相或B相脈沖計數(shù)，就能計算出傳感器的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，最終折算出布匹的長度。假設(shè)滾動輪的外徑為D（cm），傳感器每周每相各輸出4個脈沖（最大測量誤差在MCS-51系列單片機片內(nèi)有2/3個16位定時器/計數(shù)器（TO、T1、T2），可用來對外部事件的計數(shù)。但每個16位計數(shù)器均為加法計數(shù)器，無法實現(xiàn)可逆計數(shù)。若能將計數(shù)器TO作為順時針方向的計數(shù)器，而計數(shù)器T1作為逆時針方向的計數(shù)器，從而使實際計數(shù)值為兩個計數(shù)器計數(shù)值之差，這就要求傳感器作順時針方向旋轉(zhuǎn)時僅計數(shù)器TO計數(shù)，作逆時針方向旋轉(zhuǎn)時僅計數(shù)器T1計數(shù)，才能確保可逆計數(shù)的實現(xiàn)。我們注意到計數(shù)器TO和計數(shù)器T1均可以通過片內(nèi)門控信號（Gate位）置“O”或置“1”來決定是否由外部控制信號（/INTO，/INT1）允許或禁止計數(shù)。Gate=O，計數(shù)器不受外部控制信號控制。Gate=1，則外部控制信號為高電平時，對應(yīng)計數(shù)器允許計數(shù)；外部控制信號為低電平時，對應(yīng)計數(shù)器禁止計數(shù)。因為TO、T1是在脈沖信號的下降沿觸發(fā)內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，從兩相脈沖時序圖3可以看出，當傳感器順時針旋轉(zhuǎn)時，A相脈沖的下降沿落在B相脈沖的高電平區(qū)，而傳感器逆時針旋轉(zhuǎn)時，B相脈沖的下降沿落在A相脈沖的高電平區(qū)。如果將A相脈沖信號連接至單片機的TO（P3.4）端，B相脈沖信號連接至/INTO（P3.2）端；與此同時，將B相脈沖信號連接至單片機的T1（P3.5）端，A相脈沖信號連接至/INT1（P3.3）端。如果傳感器作順時針旋轉(zhuǎn)，在對應(yīng)每一個A相脈沖下降沿都有/INTO=1（高電平），計數(shù)器TO允許計數(shù)，則計數(shù)器TO對A相脈沖下降沿逐一計數(shù)。此時對應(yīng)每一個B相脈沖的下降沿均因落在A相脈沖的低電平區(qū)，即/INT1=O，計數(shù)器T1被禁止，計數(shù)器T1不會被B相脈沖的下降沿觸發(fā)計數(shù)。同樣，如果傳感器作逆時針旋轉(zhuǎn)，在對應(yīng)每一個B相脈沖下降沿都有/INT1=1（高電平），計數(shù)器T1允許計數(shù)，則計數(shù)器T1對B相脈沖下降沿逐一計數(shù)。此時對應(yīng)每一個A相脈沖的下降沿均因落在B相脈沖的低電平區(qū)，即/INTO=O，計數(shù)器TO被禁止，計數(shù)器TO不會被A相脈沖的下降沿觸發(fā)計數(shù)。

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