2022年2022年霍尔开关报警器设计 .pdf

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1、智能仪表综合课程设计1 摘 要随着时代的进步和发展，智能仪表已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文主要介绍了计霍尔元件开关报警结构，当有一定的信号发出即有外电路发出危险信号时，报警器发出报警，即扬声器发声。随着社会的发展总是有些不法分子为了别人的财产，入室抢劫造成人员伤亡，采取一些防范措施就可以减少这种伤害的发生，报警装置在我们日常生活应用中也非常广泛，这里我们就讨论霍尔式防盗报警器它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行报警，有广泛的应用前

2、景。关键词：霍尔元件;报警器;555 定时器；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计2 目录1 绪论.32 设计要求与内容.42.1 设计要求.42.2 设计内容.43 设计总体方案.53.1 设计总思路.53.2 设计总方案.54 系统工作原理.3 4.1 霍尔传感器的简介.64.2 555 定时器的简介.11 5 系统总体硬件电路的设计.155.1 硬件电路图.15 5.2 元器件清单.16 6 系统的调试与测试结果.177 总结及体会.188 参考文献.19名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 19 页 -智

3、能仪表综合课程设计3 1 绪论霍尔传感器用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。它以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。随着社会的发展总是有些不法分子为了别人的财产，入室抢劫造成人员伤亡，采取一些防范措施就可以减少这种伤害的发生，报警装置在我们日常生活应用中也非常广泛，本篇论文讨论的是霍尔式防盗报警器。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计4 2 设计要求与内容2.1 设计要求1.设计霍尔元件开关报警结构，当有一定的信号发出即有外

4、电路发出危险信号时，报警器发出报警，即扬声器发声。2.所设计报警器要具有一定的抗干扰能力及工作稳定性。3.报警器要有具有很高的灵敏度。2.2 设计内容2.2.1 内容1设计一个霍尔式开关报警电路，用扬声器实现报警功能，用一个单刀双掷的开关代替霍尔元件3019，使其在有危险的时候能够发出报警，以实现报警功能。2蜂鸣器的报警效果可以在一定范围内调节。2.2.2 所需原件电压为 5V。霍尔传感器 3019一个，TLC555定时器一个，0.1uf 的电容三个;12K 电阻一个，100K电阻两个，5.1M电阻一个，单刀双掷开关一个，扬声器，5v 电源.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4

5、 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计5 3 设计总体方案3.1 设计总思路由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，是其中一种型号的外形图。霍尔传感器的分类：霍 尔 传 感 器 分 为 线 性 型 霍 尔 传 感 器 和 开 关 型 霍 尔 传 感 器 两 种。（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。因此可依据其特性做出霍尔式开关报警电路

6、。3.2 设计总方案图 1 整体方案由霍尔传感器接收外界的信号转换成电信号，该信号传递给由 555 定时器组成的接收电路，接收电路发出信号使警报发声电路发出蜂鸣声实现报警。霍尔原件信号信号接收电路警报发声电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计6 4 系统工作原理4.1 霍尔传感器的简介4.1.1 霍尔效应及霍尔传感器原理图图 2 霍尔效应原理图半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半

7、导体薄片称为霍尔元件。原理简述如下：激励电流 I 从 a、b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c、d 方向产生电场 E。电子积累得越多，FE 也越大，在半导体薄片 c、d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。由图可以看出，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度 B 越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源

8、电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计7 4.1.2 霍尔传感器的参数1 极限参数表 1 霍尔传感器的极限参数名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计8 2 电特性表 2 霍尔传感器的电参数名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计9 3 磁特性表 3 霍尔传感器的磁特性4.1.3 霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性

9、型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。4.1.4 霍尔传感器的特性开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5 个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由图 3 看出，当 B=0时，14 V0 为高电平；当外磁场增至BOP 时，输出 V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP

10、 降至 BrP 时，输出 V0由低电平反向，BrP被称为释放点。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计10 开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：图 3 防盗报警器如上图所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3 为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3 为高电平，非门输出端 Y为低电平，继电器 J 吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。开关型霍尔传感器的特性：如图 6 所

11、示,其中 BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点 Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与 BRP 之间的滞后使开关动作更为可靠。另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图5 所示。当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到 BRP时，才能使电平产生变化。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1

12、0 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计11 图 4 霍尔传感器4.2 555 定时器的简介图 5 555定时器555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3 和 2VCC/3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输

13、出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC/3，C2 的反相输入端的电压为 VCC/3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC/3，则比较器 C2 的输出名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计12 为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC/3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。单稳态电路前面介绍的双稳态

14、触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。而单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。图 6 单稳态触发图接通电源后，未加负脉冲，而 C充电，上升，当时，电路输出为低电平，放电管T 导通，C快速放电，使=0。这样，在加负脉冲前，为低电平，=0，这是电路的稳态。在t=t0 时刻负跳变（端电平小于），而=0（TH端电平小于），所以输出翻为高电平，T 截止，C充电。按指数规律上升。t=t1时，负脉冲消失。t=t2时 上升到（此时

15、 TH端电平大于，端电平大于），又自动翻为低电平。在这段时间电路处于暂稳态。t t2，T 导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。由分析可得：输出正脉冲宽度 tW=1.1RC 注意：图63（a）电路只能用窄负脉冲触发，即触发脉冲宽度ti必须小于 tW 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计13 多谐振荡器多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。图 7 多谐振荡图接通电源后，假定是

16、高电平，则T 截止，电容C充电。充电回路是VCC R1R2C地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T 导通，C放电，放电回路为CR2T地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管 T 截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得输出高电平时间输出低电平时间振荡周期输出方波的占空比为555 定时器用于实际中的实例有：能发出“叮、咚”声门铃的电路和旋光彩灯控制电路，此论文正是应用这种原理。随着社会的发展总是有些不法分子为了别人的财产，入室抢劫造成人员伤亡，采取一些防范措施就可以减少这种伤害的发生，报警装置在我们日常

17、生活应用中名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计14 也非常广泛，这里我们就讨论霍尔式防盗报警器它的各个引脚功能如下：1 脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8 脚：外接电源 VCC，双极型时基电路VCC的范围是 4.5 16V，CMOS 型时基电路 VC的范围为 3-18V。一般用 5V。3 脚：输出端 Vo 2 脚：低触发端6 脚：TH高触发端4 脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5 脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个

18、比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01 F 电容接地，以防引入干扰。7 脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在 1 脚接地，5 脚未外接电压，两个比较器A1、A2 基准电压分别为的情况下，555 时基电路的功能表如表1 示。表 4 555 定时器的功能表名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计15 5 系统总体硬件电路的设计5.1 硬件电路图图 7 总体硬件仿真图用一个单刀双掷的开关代替霍尔元件3019，使其在有危险的时候能够发出报警，以实现报警功能。用 555 定时器接收霍尔元件发出的电信号同时

19、触发蜂鸣报警器用滑动变阻器调节蜂鸣器的声音大小。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计16 5.2 元器件清单元件序号型号主要参数数量备注555 10uF 1 SPEAKER 1V、500ms1 POT-HG 10K 1 适当调节阻值2N1711 无1 CAP 1uF 2 RESISTOR 10K2 表 5 元器件清单名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计17 6 系统的调试与测试结果1按所设计的实验方案的元器件清单找到相应的仪器元件，用proteus 进行仿真，熟悉仪器的特性和

20、连接使用方法2网上搜集元器件的相关资料，学习元器件的使用方法，根据设计的实验方案的电路原理图在proteus 上连接电路3完成电路连接后检查电路的连接是否正确以及元器件是否连接入电路中，电路中各元件会不会发生短路4检查电路确定连接正确后打开电源，进行编译5测量相应的数据并记录6检查扬声器能否发声，进行报警。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计18 7 总结及体会霍尔传感器用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输

21、和日常生活中有着非常广泛的应用。因为霍尔器件的应用比较广泛，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，使其应用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，随着人们对它的熟悉和了解，它们将象其他传感器等基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越重要的作用。由于理论与实践总是存在一定的差距，在我的设计中难免会有一定的瑕疵，考虑问题也可能不太全面，但问题的解决，不仅需要一定的专业素养，还需要我在以后的工作过程中继续学习和增加实践经验来完成，我也相信自己能够做好。经过几天的艰苦奋战，我的课程设计几经曲折终于接近尾声。在这段时间里，我衷心感谢我的指导老师，在课题选定、理论指导和方案的论证上，我都遇到了诸多的困难，然而老师对我精心的指导和耐心的鼓励，使我能够坚持到底，课程设计有了圆满的结果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 19 页 -智能仪表综合课程设计19 8 参考文献1 传感器与检测技术陈杰黄鸿2 张岩,胡秀芳.传感器应用技术【M】.福建:科学技术出版社,2006：2 36-237 3 丁镇生.传感器及传感技术应用【M】北京:电子工业出版社1998:167-169 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 19 页 -