霍爾傳感器在衛(wèi)生間自動(dòng)控制器電路中的應(yīng)用

俞昕

摘 要：目前，霍爾傳感器已成為使用廣泛的磁傳感器之一，傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息社會(huì)的三大支柱技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，本文簡(jiǎn)單介紹了霍爾效應(yīng)，并設(shè)計(jì)了基于霍爾傳感器的衛(wèi)生間自動(dòng)控制器電路。在分析衛(wèi)生間自動(dòng)控制器功能的基礎(chǔ)上，針對(duì)裝置的每個(gè)功能，分別完成了直流電源，照明燈控制電路，抽水馬桶控制電路的分析與設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；直流電源；照明燈控制；抽水馬桶控制

1 概述

在自動(dòng)控制系統(tǒng)的電子電路中，普遍使用的是霍爾開關(guān)，它能夠感受接近物體磁通的變化，利用這種傳感器對(duì)接近物體磁通變化的敏感特性達(dá)到控制開關(guān)通、斷的目的。

2 霍爾傳感器的介紹

霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55℃～150℃。

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。

3 霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直與薄片，如圖所示，

當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直與電流和磁場(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)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。

4 總體介紹

衛(wèi)生間控制裝置具有照明燈和抽水馬桶自動(dòng)控制功能。當(dāng)打開衛(wèi)生間門后，門被打開一次，照明開關(guān)被接通，照明燈自動(dòng)點(diǎn)亮；經(jīng)過任意時(shí)間后關(guān)門，，照明燈自動(dòng)熄滅。當(dāng)用廁后，抽水馬桶會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行沖水，并可進(jìn)行手動(dòng)控制。

5 局部電路分析

1、照明燈控制電路

照明燈控制電路

（1）主要元器件

1）、 CD4013真值表，引腳圖及功能

CD4013的功能；

CD4013是一雙D觸發(fā)器，由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時(shí)鐘輸入和Q及Q*輸出，此器件可用作移位寄存器，且通過將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)算器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位與時(shí)鐘無關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線上的高電平完成。

2）、雙向晶閘管

雙向晶閘管也是一個(gè)三端器件，有兩個(gè)主電極T1，T2和門極G，雙向晶閘管的等效電路、電氣符號(hào)如圖4所示。

雙向晶閘管可看作由兩個(gè)普通晶閘管反并聯(lián)組成，觸發(fā)信號(hào)加在門極G和主電極T2之間。主電極在正負(fù)電壓作用下均可用同一門極觸發(fā)導(dǎo)通。雙向晶閘管門極加正、負(fù)脈沖都可以觸發(fā)。但UT1T2<0時(shí)，雖可采用正脈沖觸發(fā)，固靈敏度低，一般不用。因此，UT1T2>0時(shí)，可采用正、負(fù)脈沖觸發(fā)；UT1T2<0時(shí)，只采用負(fù)脈沖觸發(fā)。

（2）直流電源的分析

整個(gè)電路需要一個(gè)12 V的直流電源來提供直流電。如果用直流電池供電，則不能滿足長(zhǎng)時(shí)間的工作要求。因此，選用電容降壓式直流穩(wěn)壓電源電路來產(chǎn)生直流電源。將市電先后通過電容降壓、半波整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12 V直流電壓。這部分電路是由C1、R1、VD1、VD2和C2構(gòu)成的。其中電容C1用于降壓限流，二極管VD1用于整流。

（3）自動(dòng)控制裝置中霍爾開關(guān)的分析

霍爾開關(guān)是開關(guān)型霍爾集成電路的一種應(yīng)用形式。首先，開關(guān)型霍爾集成電路輸出的是數(shù)字信號(hào)，“0”代表低電平，“1”代表高電平。其次，霍爾器件是一種磁電轉(zhuǎn)換的磁敏傳感器，它可以感受磁場(chǎng)的變化，因此需要使用磁性物體作為其接近物體，通過霍爾開關(guān)檢測(cè)磁性物體的存在與否，達(dá)到控制開關(guān)通、斷的目的。由衛(wèi)生間自動(dòng)控制裝置的第一個(gè)功能可知，當(dāng)人打開衛(wèi)生間門后，照明燈就自動(dòng)點(diǎn)亮；人離開衛(wèi)生間關(guān)上門后，照明燈熄滅。

（4）照明燈控制電路的分析

IC1～I(xiàn)C2是D觸發(fā)器，IC1的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間由R3和C3決定，一般3—5s，如果在這段時(shí)間內(nèi)打開門數(shù)次，IC1輸出不變，LED1是衛(wèi)生間內(nèi)有，無人的指示燈，LED1發(fā)光表示衛(wèi)生間里有人且EL被點(diǎn)亮；LED1熄滅表示衛(wèi)生間里無人用側(cè)且EL熄滅，SB是手動(dòng)按鈕，這是為了某些特殊情況的要求而設(shè)置的。其中IC1接成單穩(wěn)態(tài)電路，由于其置位端S國(guó)定接地，所以Q1輸出低電平。IC2電路在剛接通電源的瞬間，有一經(jīng)C4和R5微分后的正尖峰脈沖作用于復(fù)位端R，迫使IC2復(fù)位，Q2端輸出低電平，晶體三極管VT1截止。雙向晶閘管VS1阻斷， 照明燈EL不亮。與此同時(shí)，發(fā)光二極管LED1亦不發(fā)光。在平時(shí)，衛(wèi)生間門總是關(guān)閉的，安裝在門上方的霍爾傳感器B與門下方門框上的磁剛靠近，B輸出低電平。無脈沖觸發(fā)。IC1和IC2不翻轉(zhuǎn)，VT1和VS1截止，EL和LED1均熄滅。

2、抽水馬桶控制電路

（1）主要元器件

1）光耦合器的相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用

光敏三極管的另一個(gè)作用是傳輸信號(hào)，光耦合器亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。

2）光耦合器工作原理

用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱，亦即流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號(hào)來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?pf左右）、耐壓高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。

（2）抽水馬桶控制電路的分析

LED2為紅外發(fā)光二極管，由12V恒定直流電壓驅(qū)動(dòng)發(fā)出紅外光，R8為其限流電阻。LED2與光敏三極管VT2組成對(duì)射式紅外光控電路。VT2受LED發(fā)出的紅外光照射呈低電阻，晶體三極管VT3截止，其發(fā)射極為低電平，無脈沖觸發(fā)IC3 Q3端，即與門F一個(gè)輸入端為低電平，而光敏三極管VT4與晶體三極管VT5組成另一路光控電路。由于門關(guān)閉，VT4無光照，呈高電阻，VT5截止，其集電極為高電平。其一路輸入與門F的另一個(gè)輸入端，另一路經(jīng)電阻R11向C5充電，所以，F(xiàn)輸出低電平，晶體管VT6，雙向晶閘管VS2均截止，電磁鐵KM不吸合，抽水馬桶不沖水。

當(dāng)人離開衛(wèi)生間并關(guān)上門時(shí)，由于照明燈EL的自動(dòng)熄滅，VT4無光照，VT5截止，其集電極電位為高電平，使F的兩個(gè)輸入端均為高電平，經(jīng)VT6放大驅(qū)動(dòng)VS2導(dǎo)通，電磁鐵KM得電，使抽水馬桶沖水，與此同時(shí)，VT5的集電極高電平又經(jīng)R11向C5充電，待C5兩端電壓上升到IC3的R端門限電平時(shí)，IC3復(fù)位，Q3端變?yōu)榈碗娖?，停止沖水，并為下次上廁做好準(zhǔn)備。

可見，抽水馬桶沖水的時(shí)間由R11、C5組成的延時(shí)電路控制。

6 結(jié)束語

自動(dòng)開關(guān)燈以及抽水馬桶自動(dòng)沖水的控制電路，不僅節(jié)約了資源而且方便了人們的生活。通過霍爾傳感器在衛(wèi)生間自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用，使我對(duì)霍爾傳感器有了更加深刻的了解和認(rèn)識(shí)，它不僅在工業(yè)方面有著非常重要的應(yīng)用，而且在人類生活中的應(yīng)用也很廣泛。

參考文獻(xiàn)

（1） 《傳感器應(yīng)用400例》 王煜東

（2） 《傳感器及應(yīng)用》 王婕婷

（3） 《霍爾效應(yīng)在位置控制中的應(yīng)用》 張壽安