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)制作的一種磁場傳感器，當(dāng)恒定電流通過內(nèi)部的霍爾半導(dǎo)體片時，將在垂直方向產(chǎn)生電位差即霍爾電壓。這個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。雖然霍爾電壓很小，通常只有幾個毫伏，放大后就足以輸出較強信號。

圖1. 霍爾傳感器原理

霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器(Hall Effect-Based Linear Current Sensor)和開關(guān)型霍爾傳感器(Hall Effect Switch Sensor)兩種，它們共同特點是結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHZ)，耐震動，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型傳感器，要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉(zhuǎn)速低的運轉(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、電解電鍍、數(shù)控機床、微機監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個領(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)變化的時間等物理量檢測。

線性霍爾傳感器

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

線性霍爾傳感器可將一次大電流變換為二次微小電壓信號。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性霍爾傳感器電路等組成，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓。被測電流流經(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，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線性霍爾傳感器功能圖

ACS712低噪聲，響應(yīng)時間快(對應(yīng)步進(jìn)輸入電流，輸出上升時間為5μs)，總輸出誤差最大為4%， 高輸出靈敏度(66mV/A～185mV/A)，主要應(yīng)用于電動機控制、載荷檢測和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護等，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線性霍爾傳感器典型應(yīng)用

開關(guān)型霍爾傳感器

開關(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)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量，具有無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。

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

例如，A3144霍爾開關(guān)傳感器由電壓調(diào)整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出級構(gòu)成，通過使用上拉電路可以將其輸出接人CMOS邏輯電路。A3144每一側(cè)都可以檢測到一個特定的極點，具有無觸點，在開關(guān)狀態(tài)時無火花，不產(chǎn)生干擾，使用壽命長，靈敏度高等特點，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

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

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性霍爾傳感器需要獨立供電，不能從Arduino UNO獲得電力。同時，要將信號引腳與Arduino的模擬引腳(一般選擇A0)連接。

圖6. 開關(guān)型(左)及線性霍爾傳感器(右)與Arduino UNO接口對比

數(shù)字輸出的開關(guān)型霍爾傳感器用來檢測狀態(tài)，只要將信號引腳與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