学习子情境 1 霍尔传感器与单片机接口

学习情境三脉冲式传感器与单片机接口 学习子情境1 霍尔传感器与单片机接口

3.1.1 霍尔传感器工作原理 3.1.2 霍尔元件的结构和基本电路 3.1.3 霍尔元件的主要特性参数 3.1.4 霍尔元件误差及补偿 3.1.5 霍尔集成电路 3.1.6 霍尔式传感器的应用 3.1.7 霍尔传感器与单片机接口实例

3.1.1 霍尔传感器工作原理 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件

霍尔效应原理

载流子受洛仑兹力 霍尔电场强度平衡状态因为电子运动平均速度

霍尔电势

霍尔常数 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件灵敏度（灵敏系数）半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，

3.1.2 霍尔元件的结构和基本电路 霍尔元件

图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。图（b）是霍尔元件通用的图形符号。图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。

3.1.3 霍尔元件的主要特性参数 当磁场和环境温度一定时: 霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时: 霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时: 输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。

霍尔元件的主要特性参数： (1) 输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电极间的电阻输出电阻：霍尔电极之间的电阻 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值

(3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro 不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的， r 0称不等位电阻

(4) 寄生直流电势霍尔元件零位误差的一部分 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势 (5) 霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。

3.1.4 霍尔元件误差及补偿 1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿

1. 不等位电势误差的补偿 可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。

电势的补偿电路对称电路 当温度变化时，补偿的稳定性要好些

2. 温度误差及其补偿 温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。

减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数小的元件采用恒温措施采用恒流源供电

恒流源温度补偿 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 KH0为温度T0时的KH值；温度变化量；霍尔电势的温度系数。

大多数霍尔元件的温度系数α是正值时， 它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+α△t）倍。同时，让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。

恒流源温度补偿电路 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流

温度为T0时 控制电流温度升到T时，电路中各参数变为霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。

为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足: 升温前、后的霍尔电势不变，经整理，忽略高次项后得

当霍尔元件选定后，它的输入电阻 和温度系数及霍尔电势温度系数可以从元件参数表中查到（可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻及所需的分流电阻温度系数值。

3.1.5 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路

线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。画出线性范围

开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。

开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 Vcc 施密特触发电路霍尔元件 OC门双端输入、单端输出运放 .

开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线

开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大，抗振动干扰能力就越强。当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？

3.1.6 霍尔式传感器的应用 优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。

1. 微位移和压力的测量 测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度

产生梯度磁场的示意图 位移量较小，适于测量微位移和机械振动

霍尔式压力传感器 • 弹簧管 • 磁铁 • 霍尔片

加速度传感器

2. 磁场的测量 霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。

3.1.7 霍尔传感器与单片机接口实例 1．霍尔传感器与单片机的硬件接口设计由霍尔元件构成的电机测速系统结构图如图所示。该系统由3个模块构成：霍尔测速模块、单片机模块和显示模块。

电机测速系统结构图 图1 电机测速系统结构图

霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如图2所示，齿轮厚度大于2 mm，将其固定在待测电机的转轴上。将霍尔元件固定在距齿轮外圆1 mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢(如图3所示)，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。图2 测速齿轮图3 霍尔元件

基于霍尔传感器和AT89C2051单片机的电机测速系统如图4所示。电机转速信号的采集元件选用霍尔元件DN6837。它是一个开关集成霍尔传感器，由于它是OC门，故输出端与电源之间必须接一个电阻。霍尔元件输出的脉冲信号经过一级三极管放大，再送到单片机P3.3脚。基于霍尔传感器和AT89C2051单片机的电机测速系统如图4所示。电机转速信号的采集元件选用霍尔元件DN6837。它是一个开关集成霍尔传感器，由于它是OC门，故输出端与电源之间必须接一个电阻。霍尔元件输出的脉冲信号经过一级三极管放大，再送到单片机P3.3脚。

图4 霍尔传感器与单片机的硬件接口连接图

2．霍尔传感器与单片机的软件接口设计 单片机测量电机转速的基本原理就是测量一定时间内进入单片机的脉冲数量，经过软件处理就可以计算出电机的转速。系统软件包括主程序、中断处理程序、显示程序和转速计算程序。主程序完成系统初始化、查询P3.3进行脉冲计数；定时器T0的定时时间设置为20ms。T0中断后，在中断处理程序里判断脉冲计数时间是否到了1 s。如计时时间到l s，调用转速计算程序并将转速的各位数据存人显示缓存，然后送显示器。加电复位后，测速系统首先显示4个6，以检测测速系统的数码管是否正常工作，然后就可以进行电机的转速检测。检测转速范围是500—6 000 r／min。主程序和中断服务程序流程图如图5和图6所示

图5 主程序流程图图6 中断服务程序流程图

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