霍爾開(kāi)關(guān)報(bào)警器設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，智能儀表已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù), 本文主要介紹了計(jì)霍爾元件開(kāi)關(guān)報(bào)警結(jié)構(gòu)，當(dāng)有一定的信號(hào)發(fā)出即有外電路發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，即揚(yáng)聲器發(fā)聲。隨著社會(huì)的發(fā)展總是有些不法分子為了別人的財(cái)產(chǎn)，入室搶劫造成人員傷亡，采取一些防范措施就可以減少這種傷害的發(fā)生，報(bào)警裝置在我們?nèi)粘Ｉ顟?yīng)用中也非常廣泛，這里我們就討論霍爾式防盜報(bào)警器它使用起來(lái)相當(dāng)方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合于我們?nèi)粘Ｉ詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行報(bào)警，有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞： 霍爾元件

2、;報(bào)警器;555定時(shí)器；目錄1 緒論32 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容42.1設(shè)計(jì)要求42.2設(shè)計(jì)內(nèi)容43 設(shè)計(jì)總體方案53.1設(shè)計(jì)總思路53.2設(shè)計(jì)總方案54 系統(tǒng)工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.1霍爾傳感器的簡(jiǎn)介64.2 555定時(shí)器的簡(jiǎn)介115 系統(tǒng)總體硬件電路的設(shè)計(jì)155.1硬件電路圖155.2元器件清單166 系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試結(jié)果177 總結(jié)及體會(huì)188 參考文獻(xiàn)191 緒論霍爾傳感器用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及

3、其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。它以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展總是有些不法分子為了別人的財(cái)產(chǎn)，入室搶劫造成人員傷亡，采取一些防范措施就可以減少這種傷害的發(fā)生，報(bào)警裝置在我們?nèi)粘Ｉ顟?yīng)用中也非常廣泛，本篇論文討論的是霍爾式防盜報(bào)警器。2 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容2.1設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)霍爾元件開(kāi)關(guān)報(bào)警結(jié)構(gòu)，當(dāng)有一定的信號(hào)發(fā)出即有外電路發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，即揚(yáng)聲器發(fā)聲。 2.所設(shè)計(jì)報(bào)警器要具有一定的抗干擾能力及工作穩(wěn)定性。3.報(bào)警器要有具有很高的靈敏度。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容2.2.

4、1內(nèi)容1設(shè)計(jì)一個(gè)霍爾式開(kāi)關(guān)報(bào)警電路，用揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，用一個(gè)單刀雙擲的開(kāi)關(guān)代替霍爾元件3019，使其在有危險(xiǎn)的時(shí)候能夠發(fā)出報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。2蜂鳴器的報(bào)警效果可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2.2.2所需原件電壓為5V?；魻杺鞲衅?019一個(gè)，TLC555定時(shí)器一個(gè)，0.1uf的電容三個(gè);12K電阻一個(gè)，100K電阻兩個(gè)，5.1M電阻一個(gè)，單刀雙擲開(kāi)關(guān)一個(gè)，揚(yáng)聲器，5v電源.3 設(shè)計(jì)總體方案3.1設(shè)計(jì)總思路 由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅饕卜Q為霍爾集成電路，其外形較小，是其中一種型號(hào)的外形圖。

5、霍爾傳感器的分類：霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩種。 （1）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。（2）開(kāi)關(guān)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(jí)組成，它輸出數(shù)字量。因此可依據(jù)其特性做出霍爾式開(kāi)關(guān)報(bào)警電路。3.2設(shè)計(jì)總方案警報(bào)發(fā)聲電路霍爾原件信號(hào)信號(hào)接收電路 圖1 整體方案由霍爾傳感器接收外界的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)傳遞給由555定時(shí)器組成的接收電路，接收電路發(fā)出信號(hào)使警報(bào)發(fā)聲電路發(fā)出蜂鳴聲實(shí)現(xiàn)報(bào)警。4 系統(tǒng)工作原理4.1霍爾傳感器的簡(jiǎn)介4.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾傳感器原理圖圖2 霍爾效應(yīng)原理圖半導(dǎo)體薄片置于磁感

6、應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，如圖所示。當(dāng)有電流 I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) EH ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。原理簡(jiǎn)述如下：激勵(lì)電流 I 從 a 、 b 端流入，磁場(chǎng) B 由正上方作用于薄片，這時(shí)電子 e 的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反，將受到洛侖茲力 FL 的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的 c 

7、;、 d 方向產(chǎn)生電場(chǎng) E 。電子積累得越多， FE 也越大，在半導(dǎo)體薄片 c 、 d 方向的端面之間建立的電動(dòng)勢(shì) EH 就是霍爾電勢(shì)。由圖可以看出，流入激勵(lì)電流端的電流 I 越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。磁場(chǎng)方向相反，霍爾電勢(shì)的方向也改變，因此霍爾傳感器能用于測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器?；魻?/p>

8、傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖2所示，是其中一種型號(hào)的外形圖。4.1.2 霍爾傳感器的參數(shù)1極限參數(shù)表1 霍爾傳感器的極限參數(shù)2 電特性表2 霍爾傳感器的電參數(shù)3 磁特性表 3 霍爾傳感器的磁特性4.1.3霍爾傳感器的分類 霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩種。（1）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。（2）開(kāi)關(guān)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(jí)組成，它輸出數(shù)字量。4.1.4霍爾傳感器的特性開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸

9、出級(jí)組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對(duì)稱的施密特整形電路。對(duì)于開(kāi)關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出，當(dāng)B=0時(shí)， 14 V0為高電平；當(dāng)外磁場(chǎng)增至BOP時(shí)，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場(chǎng)由BOP降至BrP時(shí)，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點(diǎn)。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。下面列舉兩個(gè)實(shí)用電路加以說(shuō)明： 圖3 防盜報(bào)警器如上圖所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當(dāng)

10、門被非法撬開(kāi)時(shí)，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發(fā)出報(bào)警聲音。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性：如圖6所示,其中BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與BRP之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖5所示。 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，而在外磁?chǎng)撤消后，其輸

11、出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。 圖4 霍爾傳感器4.2 555定時(shí)器的簡(jiǎn)介   圖5 555定時(shí)器555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖 2.9.1 和圖 2.9.2 所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC

12、 /3 555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。單穩(wěn)態(tài)電路前面介紹的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的輸出狀態(tài)和，

13、且兩個(gè)狀態(tài)始終相反。而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在未加觸發(fā)信號(hào)之前，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)觸發(fā)后，觸發(fā)器由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)狀態(tài)，暫穩(wěn)狀態(tài)保持一段時(shí)間后，又會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)回原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用于延時(shí)和脈沖整形電路。    圖6 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)圖接通電源后，未加負(fù)脈沖， ，而C充電， 上升，當(dāng) 時(shí)，電路 輸出為低電平，放電管T導(dǎo)通，C快速放電， 使 = 0。這樣，在加負(fù)脈沖前， 為低電平， = 0，這是電路的穩(wěn)態(tài)。在t = t0時(shí)刻 負(fù)跳變（ 端電平小于 ），而 = 0（TH端電平小于 ），所以輸出 翻為高電平，T截止，C充電。 按指數(shù)規(guī)律上升。t = t1時(shí)， 負(fù)

14、脈沖消失。t = t2時(shí) 上升到 （此時(shí)TH端電平大于 ， 端電平大于 ）， 又自動(dòng)翻為低電平。在 這段時(shí)間電路處于暫穩(wěn)態(tài)。t > t2，T導(dǎo)通，C快速放電，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。由分析可得： 輸出正脈沖寬度 tW = 1.1RC 注意：圖63（a）電路只能用窄負(fù)脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)脈沖寬度ti必須小于tW 多諧振蕩器多諧振蕩器又稱為無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒(méi)有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。    圖7 多諧振蕩圖接通電源后，假定是高電平，則T截止

15、，電容C充電。充電回路是VCCR1R2C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到時(shí)（TH、端電平大于），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為CR2T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到時(shí)（TH、端電平小于），輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，經(jīng)分析可得 輸出高電平時(shí)間 輸出低電平時(shí)間 振蕩周期 輸出方波的占空比為 555定時(shí)器用于實(shí)際中的實(shí)例有：能發(fā)出“叮、咚”聲門鈴的電路和旋光彩燈控制電路，此論文正是應(yīng)用這種原理。 隨著社會(huì)的發(fā)展總是有些不法分子為了別人的財(cái)產(chǎn)，入室搶劫造成人員傷亡，采取一些防范措施就可以減少這種傷害的發(fā)生，報(bào)警裝置在我們?nèi)粘Ｉ顟?yīng)用中也非常

16、廣泛，這里我們就討論霍爾式防盜報(bào)警器它的各個(gè)引腳功能如下： 1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5  16V，CMOS型時(shí)基電路VC的范圍為3-18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo    2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地

17、，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表1示。   表4 555定時(shí)器的功能表5 系統(tǒng)總體硬件電路的設(shè)計(jì)5.1硬件電路圖 圖7 總體硬件仿真圖用一個(gè)單刀雙擲的開(kāi)關(guān)代替霍爾元件3019，使其在有危險(xiǎn)的時(shí)候能夠發(fā)出報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。用555定時(shí)器接收霍爾元件發(fā)出的電信號(hào)同時(shí)觸發(fā)蜂鳴報(bào)警器用滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)蜂鳴器的聲音大小。 5.2元器件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注55510uF1SPEAKER1V、500ms 1POT-HG 10K1適當(dāng)

18、調(diào)節(jié)阻值2N1711 無(wú)1CAP1uF2RESISTOR10K2表5 元器件清單6 系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試結(jié)果1 按所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的元器件清單找到相應(yīng)的儀器元件，用proteus進(jìn)行仿真，熟悉儀器的特性和連接使用方法2 網(wǎng)上搜集元器件的相關(guān)資料，學(xué)習(xí)元器件的使用方法，根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的電路原理圖在proteus上連接電路3 完成電路連接后檢查電路的連接是否正確以及元器件是否連接入電路中，電路中各元件會(huì)不會(huì)發(fā)生短路4 檢查電路確定連接正確后打開(kāi)電源，進(jìn)行編譯5 測(cè)量相應(yīng)的數(shù)據(jù)并記錄6 檢查揚(yáng)聲器能否發(fā)聲，進(jìn)行報(bào)警。7 總結(jié)及體會(huì)霍爾傳感器用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用比較廣泛，信號(hào)處理方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用組合千變?nèi)f化。作為一種磁場(chǎng)傳感器和磁電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)器件，隨著人們對(duì)它的熟悉和了解，它們將象其他傳感器等基礎(chǔ)器件一樣，在各種信息采集和處理中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 由于理論與實(shí)踐總是存在一定的差距，在我的設(shè)計(jì)中難免會(huì)有一定的