霍爾傳感器原理、典型應(yīng)用及與Arduino的接口

霍爾傳感器(Hall Effect Sensor)是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，當(dāng)恒定電流通過(guò)內(nèi)部的霍爾半導(dǎo)體片時(shí)，將在垂直方向產(chǎn)生電位差即霍爾電壓。這個(gè)霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低。雖然霍爾電壓很小，通常只有幾個(gè)毫伏，放大后就足以輸出較強(qiáng)信號(hào)。

圖1. 霍爾傳感器原理

霍爾傳感器分為線(xiàn)型霍爾傳感器(Hall Effect-Based Linear Current Sensor)和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器(Hall Effect Switch Sensor)兩種，它們共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHZ)，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾傳感器屬于被動(dòng)型傳感器，要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它能檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，目前已被廣泛應(yīng)用于頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中，進(jìn)行速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)變化的時(shí)間等物理量檢測(cè)。

線(xiàn)性霍爾傳感器

線(xiàn)性霍爾傳感器(Hall Effect-Based Linear Current Sensor)由霍爾元件、線(xiàn)性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量，精度高、線(xiàn)性度好，主要用于交直流電流和電壓測(cè)量。

線(xiàn)性霍爾傳感器可將一次大電流變換為二次微小電壓信號(hào)。以電流傳感器ACS712為例，該器件主要由靠近芯片表面的銅制的電流通路和精確的低偏置線(xiàn)性霍爾傳感器電路等組成，能輸出與檢測(cè)的交流或直流電流成比例的電壓。被測(cè)電流流經(jīng)的通路(引腳1和2，3和4之間的電路)的內(nèi)電阻通常是1.2mΩ，具有較低的功耗。被測(cè)電流通路與傳感器引腳(引腳5～8)的絕緣電壓>2.1kVRMS，幾乎是絕緣的。流經(jīng)銅制電流通路的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，能夠被片內(nèi)的霍爾IC感應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化為成比例的電壓。

圖2. ACS712線(xiàn)性霍爾傳感器功能圖

ACS712低噪聲，響應(yīng)時(shí)間快(對(duì)應(yīng)步進(jìn)輸入電流，輸出上升時(shí)間為5μs)，總輸出誤差最大為4%， 高輸出靈敏度(66mV/A～185mV/A)，主要應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管理、開(kāi)關(guān)式電源和過(guò)電流故障保護(hù)等，特別是那些要求電氣絕緣卻未使用光電絕緣器或其它昂貴絕緣技術(shù)的應(yīng)用中。

圖3. ACS712線(xiàn)性霍爾傳感器典型應(yīng)用

開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器

開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器(Hall Effect Switch Sensor)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(jí)組成，它輸出數(shù)字量，具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高。

圖4. A3144霍爾開(kāi)關(guān)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

例如，A3144霍爾開(kāi)關(guān)傳感器由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器和OC門(mén)輸出級(jí)構(gòu)成，通過(guò)使用上拉電路可以將其輸出接人CMOS邏輯電路。A3144每一側(cè)都可以檢測(cè)到一個(gè)特定的極點(diǎn)，具有無(wú)觸點(diǎn)，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)無(wú)火花，不產(chǎn)生干擾，使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高等特點(diǎn)，其晶體管邏輯可以輕松地與MCU接口。由于是數(shù)字輸出，意味著如果檢測(cè)到磁體，則輸出將變低電平，否則就保持高電平。

圖5. A3144霍爾效應(yīng)傳感器應(yīng)用電路

霍爾開(kāi)關(guān)傳感器應(yīng)用簡(jiǎn)單，除了A3144霍爾效應(yīng)傳感器，外圍僅需一個(gè)10K歐姆上拉電阻和一個(gè)0.1uF的噪聲過(guò)濾電容器。

與Arduino UNO的接口

霍爾傳感器與Arduino UNO的接口不復(fù)雜。其中，但注意模擬輸出的線(xiàn)性霍爾傳感器需要獨(dú)立供電，不能從Arduino UNO獲得電力。同時(shí)，要將信號(hào)引腳與Arduino的模擬引腳(一般選擇A0)連接。

圖6. 開(kāi)關(guān)型(左)及線(xiàn)性霍爾傳感器(右)與Arduino UNO接口對(duì)比

數(shù)字輸出的開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器用來(lái)檢測(cè)狀態(tài)，只要將信號(hào)引腳與Arduino任意數(shù)字引腳連接，傳感器就可以讀數(shù)了。

審核編輯：湯梓紅