霍尔传感器在时钟电路中的应用

【摘要】利用霍尔传感器，我设计出了一款时钟电路，而这款时钟电路不单单只是时钟那么简单，通过对它延伸和拓展，它还可以进行测量位移、速度、时间、以及定时和作开关的作用，通过举例对该设计稍加该进后测量布匹长度的例子，进一步让读者明确该时钟电路有别于普通的时钟电路。

【关键词】霍尔传感器；计数器；信号处理电路

目前霍尔元件已经得到越来越多的应用，应用最多的是GaAs和InSb。利用蒸发InSb制作的霍尔元件，其霍尔电势大，但工作温度范围狭窄，霍尔电势的温度特性差，磁场的线性度范围狭窄，因而应用范围受到限制。GaAs的霍尔电势虽小，但热稳定性好，已逐渐成为主流产品。

霍尔传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场，霍尔元件总是产生相同的电压，并且输出信号电压的大小与转速无关，即使是在发动机起动的低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度。下面是利用霍尔传感器设计的时钟电路。

一、霍尔传感器时钟工作原理

1.记数分析

霍尔传感器作为计数来用是比较常见的，通过改变它的磁场变化使得输出的霍尔电势变化接入后续电路进而计数。这个简单的原理却是我的霍尔传感器时钟的核心。

首先，将大号齿轮安装在电动机上（这里采用的是电动机，也可以采用发条等启动物件），再将中号齿轮安装在大号齿轮上，最后将小号齿轮安装在中号齿轮上，三个霍尔传感器靠近各自齿轮的侧面，（其中大号齿轮和中号齿轮均有60个齿槽，小号齿轮24个齿槽），当电动机开始运转时（设定大号齿轮齿与槽之间交替为1秒钟），运转的电动机带动大号齿轮转动，转动的大号齿轮的齿正对霍尔传感器时，磁场强度增加，霍尔传感器输出的霍尔电势变大，接入后续电路输出一个信号，而当大号齿轮的槽正对霍尔传感器时，磁场强度减弱，霍尔传感器输出的霍尔电势变小，接入后续电路的也输出一个信号，当这两个不同的信号交替出现时，经过后续电路处理后进行计数，而由于齿与槽之间的交替时间正好是一秒钟，所以转了一圈的大号齿轮，即计时了60秒，它的作用正好相当于秒钟。而同时安装在大号齿轮上的中号齿轮随即动一下（即原本中号齿轮的齿正对霍尔传感器时，当大号齿轮转了一圈后，中号齿轮就动一下，使它的槽对霍尔传感器）这样它也输出一个信号，同理，当大号齿轮转六十圈，它（中号齿轮）转一圈。即计时60分钟，他的作用相当于分钟，最后，当中号齿轮转一圈小号齿轮动一下，（其原理和大号齿轮转一圈中号齿轮动一下是一样的。）它转了一圈，即计时24个小时，相当于时钟。接入后续电路即可做成电子时钟。（其中小、中、大三个齿轮安装是刚刚好的，即在调时间时可以轻松调动，而在正常工作时又不会松动，影响时钟准确性。）

2.信号处理电路的选用

经传感器转换和放大器放大的电信号，由于测试环境的电磁干扰、传感器和放大器自身的影响，往往会含有多种频率成分的噪音信号。严重时，这种噪音信号会淹没待提取的输入信号，造成测试系统无法获取被测信号。在这种情况下，需要采取滤波措施，抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加，在此选用了有源滤波器中的低通滤波器。根据低通滤波器幅频特性，确定有限增益低通滤波器的线路图。

3.实时显示与记录电路

采用LED制成的七段数码管来表示时钟的时间。

二、霍尔传感时钟的电路分析（含框图）

1.霍尔转速传感器的原理框图（霍尔传感器时钟电路）。

2.电路分析：

当晶体振荡器产生频率为fc的稳定信号，经过放大、整形后换成理想的矩形脉冲信号。若经过分频器所得标准信号的频率fo与要求的时间t相对应（t=1/fo），则可以直接驱动控制电路，产生相应的计数、显示、清零和“门”电路的开关控制信号，实现对霍尔集成电路输出的fx的测量和显示。（核心思想）

即：当小、中、大齿轮上的霍尔传感器（转速传感器）记录数据记录时，通过放大电路进入“门”电路，而这时，晶体振荡器产生的频率也经放大、整形后送入“门”电路，这时振荡器产生的频率将传感器输送来的数据处理送入后续电路，即在显示器上显示时钟数据。

三、该时钟电路在不同实践中的扩展和延伸

该设计的优势是不但可以作为时钟，而且只要稍加改进就可以作为定时器；测量距离；测转速；作开关，可谓是功能强大。下面将举一个对该设计稍加该进后测量布匹长度的例子：

测量传感器一侧采用两支霍尔元件，按照一定间隔固定在柱形槽内，其引脚（+5V、GND、A/B）通过软线引至输出插座；另一侧齿轮与转轴通过轴承固定在圆柱形外壳的轴线上。齿轮圆周上均匀嵌上4个圆形磁钢。当电动机启动，转动轴带着齿轮顺时针或逆时针旋转时，A、B两个信号端便会产生具有一定相位差（约90o）的脉冲信号，借助于A、B两相脉冲的超前与滞后关系，可以识别出传感器正转和反转，对A相或B相脉冲计数，就能计算出传感器的旋转圈数，最终折算出布匹的长度。假设滚动轮的外径为D（cm），传感器每周每相各输出4个脉冲（最大测量误差在MCS-51系列单片机片内有2/3个16位定时器/计数器（T0、T1、T2），可用来对外部事件的计数。但每个16位计数器均为加法计数器，无法实现可逆计数。若能将计数器T0作为顺时针方向的计数器，而计数器T1作为逆时针方向的计数器，从而使实际计数值为两个计数器计数值之差，这就要求传感器作顺时针方向旋转时仅计数器T0计数，作逆时针方向旋转时仅计数器T1计数，才能确保可逆计数的实现。我们注意到计数器T0和计数器T1均可以通过片内门控信号（Gate位）置“0”或置“1”来决定是否由外部控制信号（/INT0，/INT1）允许或禁止计数。Gate=0，计数器不受外部控制信号控制。Gate=1，则外部控制信号为高电平时，对应计数器允许计数；外部控制信号为低电平时，对应计数器禁止计数。因为T0、T1是在脉冲信号的下降沿触发内部计数器计数，从两相脉冲时序图3可以看出，当传感器顺时针旋转时，A相脉冲的下降沿落在B相脉冲的高电平区，而传感器逆时针旋转时，B相脉冲的下降沿落在A相脉冲的高电平区。如果将A相脉冲信号连接至单片机的T0（P3.4）端，B相脉冲信号连接至/INT0（P3.2）端；与此同时，将B相脉冲信号连接至单片机的T1（P3.5）端，A相脉冲信号连接至/INT1（P3.3）端。如果传感器作顺时针旋转，在对应每一个A相脉冲下降沿都有/INT0=1（高电平），计数器T0允许计数，则计数器T0对A相脉冲下降沿逐一计数。此时对应每一个B相脉冲的下降沿均因落在A相脉冲的低电平区，即/INT1=0，计数器T1被禁止，计数器T1不会被B相脉冲的下降沿触发计数。同样，如果传感器作逆时针旋转，在对应每一个B相脉冲下降沿都有/INT1=1（高电平），计数器T1允许计数，则计数器T1对B相脉冲下降沿逐一计数。此时对应每一个A相脉冲的下降沿均因落在B相脉冲的低电平区，即/INT0=0，计数器T0被禁止，计数器T0不会被A相脉冲的下降沿触发计数。

参考文献

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