【文章內(nèi)容簡介】 電壓的大小，預先在儀器面板上標定出高斯刻度，則使用時 0?? em FF ??0??? jbVeje V B H ??bVeeVB H?VBbVH?nebdIV?IBKdIBRIBne dV HHH ??? 1neRH 1? nedKH 1?HHIKVB?第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 13 由指針示值就可直接讀出磁感應強度 B 值。 由（ 313）式知 因此將待測的厚度為 d 的半導體樣品，放在均勻磁場中，通以控制電流 I，測出霍爾電壓 VH，再用高斯計測出磁感應強度 B 值，就可測定樣品的霍爾系數(shù)RH。又因 （或 ），故可以通過測定霍爾 系數(shù)來確定半導體材料的載流子濃度 n（或 p）（ n 和 p 分別為電子濃度和空穴濃度）。 嚴格地說，在半導體中載流子的漂移運動速度并不完全相同，考慮到載流子速度的統(tǒng)計分布，并認為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠大于少數(shù)載流子的濃度與遷移率之積，可得半導體霍爾系數(shù)的公式中還應引入一個霍爾因子 rH，即 普通物理實驗中常用 N 型 Si、 N 型 Ge、 InSb 和 InAs 等半導體材料的霍爾元件在室溫下測量，霍爾因子 ，所以 ： 式中， 庫侖 霍爾元件 霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應用。霍爾元件是一種磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關的場合中。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。 霍爾 器件 具有許多優(yōu)點，他們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達 1MHZ），耐震動，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、 無回調(diào)、位置重復精度高（可達 um級）。采用了各種補償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達 55150 度。 按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸IBdVR HH ?neRH 1? pe1)( pernerR HHH 或? ?? ?HrneRH 183?? ???e 14 出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設置的磁場，用這個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)換成電量來 進行檢測和控制。 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。 開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。 霍爾 開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。 霍爾元件的應用 使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應強度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。若不垂直，則應求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進行多點檢測，由 單片 機進行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進行檢測用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個 5 4 （ mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約 2300 高斯的磁感應強度。在空氣隙中，磁感應強度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關器件的可靠工作，在應用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出 。 因為霍爾器件需要工作電源，在作運動 或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結果中提取被檢信息。 UGN3144 霍爾開關元件 1． UGN3144 霍爾開關元件的工作原理 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 15 UGN3144 霍爾開關元件屬于開關型霍爾傳感器（集成霍爾開關），它是把霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓 VH 放大后驅(qū)動觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映 B 的變化的方脈沖。集成霍爾開關由穩(wěn)壓器、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸發(fā)器和 OC 門輸出五個基本部分組成。在輸入端（ 2 之間）輸入電壓 Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。根據(jù)霍爾效應原理，當霍爾片處于磁場中時，霍爾發(fā)生器的兩電壓端將會有一個霍爾電勢差 VH 輸出。 VH 經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到 OC 門輸出。 圖 35 開關型霍爾傳感器的原理 當外磁場 B 達到 “工作點 ”Bop 時，觸發(fā)器輸出高電平（相對于地電位），三極管導通，此時， OC 門輸出端輸出低電平，通常稱這種狀態(tài)為 “開 ”；當外磁場B 達到 “釋放點 ”Brp 時，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止， OC 門輸出高電平，這時稱其為 “關 ”狀態(tài)。 Bop 與 Brp 是有一定差值 的，此差值 BH=BopBrp 稱為霍爾開關的磁滯。 B 的變化不超過 BH，霍爾開關不翻轉(zhuǎn)，這就使得開關輸出穩(wěn)定可靠。集成霍爾開關傳感器的輸出特性如圖 (36)。 V 0 /V 12 9 6 3 B / mT 0 5 10 15 20 釋放點 (O FF ) 工作點 ( O N ) 圖 36 開關型霍爾傳感器的輸出特性 2． UGN3144 主要技術性能與特點 Allegro MicroSystems 公司生產(chǎn)的 UGN 3144 器件是雙極性磁場即 N,S 交變穩(wěn)壓霍爾片施密特觸發(fā)器+輸出1232Vcc差分放大器 16 場磁啟動的霍爾開關電路，它的主要性能特點如下： （ 1） 電源電壓為 —24V； （ 2） 連續(xù)輸出電流為 25MA。 （ 3） 磁通密度不受限制，輸出關斷電壓為 25V； （ 4） 具有反向電壓保護（反向電壓為 35V）和極好的溫度穩(wěn)定性； （ 5） 工作溫度為 20 到 85 攝氏度或者是 40 到 25℃ 。 3． UGN3144 霍爾開關元件的引腳功能和封裝形式 UGN3144 采用 SOT89 或者 TO243 封裝。其中，引腳端 1 為電源正端，引腳端 2 為接地，引腳端 3 為輸出（ OC 形式）。 圖 37 UGN3144 的封裝結構 4． UGN3144 霍爾開關元件在測量系統(tǒng)中的設計 UGN3144 霍爾開關元件芯片內(nèi)部包含有穩(wěn)壓電路，霍爾效應電壓產(chǎn)生電路，信號放大器，施密特觸發(fā)器和一個集電極開路輸出電路。集電極開路輸出電路可連續(xù)輸出 25MA 電流，可直接控制繼電器，雙向可控硅，可控硅， LED 和燈負載。其具有輸出自舉電路，也可直接與雙極型和 MOS 邏輯電路連接。 轉(zhuǎn)速測量是開關型霍爾元件的典型應用， UGN3144 霍爾開關元件感應被測量量的轉(zhuǎn)速，當被測量量每轉(zhuǎn)動一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，因為該器件為集電極開路輸出，故輸出端加接一上拉電阻，其電壓電壓范圍寬達 V 到 24 V，對磁感應強度 B 要求不嚴，其 輸出電壓經(jīng) 9012 后可提高其負載能力。其具體電路圖如 38 所示： GND OUTVCC第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 17 圖 38 UGN3144 霍爾開關元件與單片機的連接電路 單片機及其接口的設計 AT89C51 單片機的簡介 單片機我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 39)，相較于 INTEL 公司的 8051 它本身帶有一定的優(yōu)點。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗 稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖 39 AT89C51 引腳圖 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) UGN3144 霍爾開關123R1R210KR3 T19012+5VGNDVCCOUT單片機12345678RST91011121314151617XTAL118XTAL219VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839vcc40 18 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 管腳說明： ：供電電壓 ； ：接地 ； 口： P0 口為一個 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 口： P1 口是一個內(nèi) 部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址 外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 31 所示： ：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 19 址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 表 31 P3 口的第二功能 引 腳 第 二 功 能 信 號 名 稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TX