霍尔效应及传感器

霍尔效应及传感器
一、霍尔效应
霍尔效应物理原理
1879年,美国普多金斯大学研究生的霍尔, 在研究载流导体在磁场中的受力性质时, 发现了霍尔效应. 当一电流垂直于外磁场方向而流过导体时, 在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一电势差, 这种现象称为霍尔效应, 而所产生的电势差称为霍尔电压。

把一块宽为b ，厚度为d 的半导体试样放在磁感应强度为B 的磁场中，并在磁场中通过横向电流I ，则在这块半导体试样横向侧面间出现了一定的电势差H U ,这个现象就叫做霍尔效应，H U 称为霍尔电压。

实验表明，霍尔电压H U 的大小正比于磁感应强度的大小B 以及电流I ，在H K 、B 、I 三者之间的互相垂直有：
H H U K IB = (1-1)
式中的H K 称为霍尔元件的灵敏度。

霍尔电压的产生是由于半导体中的载流子受到伦兹力Fm 的作用而偏转，使试样横向两侧面分别累积了正、负电荷，在前后两侧面之间建立起电场强度为E 的电场，当载流子受到电场力Fe 与洛伦兹力Fm 平衡时，两侧面之间的电压即为霍尔电压H U ，可以证明
(nqd)H U IB = (1-2)
式中，n 为载流子浓度，q 为载流子电荷，因此霍尔元件的灵敏度H K 又可以表示为 1(nqd)H K = (1-3)若知道了霍尔元件的H K , 测得I 和H U , 就可算出磁场B 的大小, 这就是霍尔元件测磁场的基本原理
霍尔效应的应用
（1）在日常生活中，霍尔传感器大多应用于家用电器。

如录音机的换向机构就是使用霍尔传感器检测磁带终点并完成自动换向功能的；录像机中的磁鼓电机常采用锑化铟霍尔元件；洗衣机中的电动机都必须具有正、反转和高、低速旋转功能，主要依靠霍尔传感器检测与控制电动机的转速、转向来实现。

霍尔开关类传感器还用于电饭煲、气炉的
温度控制和电冰箱的除霜等方面。

（2）霍尔式汽车点火器与传统点火器不同，具有点火能量高、高速点火可靠、故障率低、省油等优点。

霍尔效应式速度和里程测试仪可以精确测量汽车的行驶速度及里程。

如在富康1.4iRL和1.6iAL系列新款轿车中安装BOSCH MP5.2电子控制多点燃汽油喷射系统的TU3JP/K(1.4iRL系列)和TU5JP/K(1.6iAL系列)发动机，其中轮速传感器为霍尔效应式传感器。

（3）在工业生产中的应用。

生产的高度自动化才能为企业带来高效率，高质量产品来自生产过程的高精度检测控制和超精密后序加工。

在这些过程中，必须依靠传感器准确地收集各种运动量、机械量、电量、温度和湿度等信息，送计算机及时处理并指挥各执行元件进行严密控制。

霍尔效应传感器在其中完成对各种物理量的检测。

如HPT-3型霍尔式功率传感器能够实现真正的有功功率检测，具有灵敏度高、线性度好和响应快速等优点。

二、DS18B20
生产厂家：大连睿科电子有限公司
大连睿科电子有限公司是以传感器信号调理技术为核心的专业化高新技术型企业,主要从事传感器及其数字调理技术的应用研究，及传感器相关领域的新技术的开发和应用。

公司作为东棉电子的增值分销商，专业MAXIM的传感器调理和汽车电子器件。

为MAXIM的传感器调理器件研发了单路和批量校准测试系统，为传感器生产厂商提供从测试评估到批量生产完整的解决方案。

公司拥有自主研发系列数字压力变送器模块、高精度数字称重传感器接口模块、智能变送器接口模块已在汽车、工业等批量应用。

主要参数：
（1）技术性能描述：
1.1 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

1.2 测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。

1.3 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温1.4 工作电源: 3~5V/DC
1.5 在使用中不需要任何外围元件
1.6 测量结果以9~12位数字量方式串行传送
1.7 不锈钢保护管直径Φ6
1.8 适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温
1.9 标准安装螺纹M10X1, M12X1.5, G1/2”任选
1.10 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

（2）应用范围：
2.1 该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域
2.2 轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。

2.3 汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。

2.5 供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制
工作原理及应用：
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8 位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48 位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的 CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20 共64 位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共9 个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第 5 个字节则是用户第 3 个EEPROM的镜像。

第6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM 都存在镜像，以方便用户操作。

控制器对18B20 操作流程：
1，复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。

当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。

2，存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60uS 后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS 的低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20 间的数据通信。

如果复位低电平的时间
不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

3，控制器发送ROM 指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM 数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

ROM 指令为8 位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。

其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。

诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的 ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM 指令。

ROM指令在下文有详细的介绍。

4，控制器发送存储器操作指令：在ROM 指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。

操作指令同样为8 位，共 6 条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM 数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。

存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

5，执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。

如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20 执行其指令，一般转换时间为500uS。

如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。

若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过ROM 指令、执行温度转换存储器操作指令、等待500uS 温度转换时间。

紧接着执行第二个周期为复位、跳过 ROM指令、执行读RAM的存储器操作指令、读数据（最多为9 个字节，中途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。

三、DHT11：
生产厂家：深圳市诚立信传感技术有限公司
深圳市诚立信传感技术有限公司主要从事传感器智能感应产品,控制模块研发生产企业，主要生产人体物体移动SS-968雷达探测模块TTL电平输出、SS-9261探测器继电器开关输出；SS-101系列红外人体感模块；例如：电平输出、继电器输出等；BISS0001人体红外专用IC；封装有DIPSMD；红外主动反射感应模块SS-030/A；HR23、HR31湿敏电阻、湿敏电容、DHT11温湿度传感器、AM1001、AM2301温湿度模块、壁挂/管道式变送器、HTS106显示器、控制器等
主要参数：
供电电压：3.3~5.5V DC
输出：单总线数字信号
测量范围：湿度20-90%RH，温度0~50℃
测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃
分辨率：湿度1%RH，温度1℃
互换性：可完全互换，
长期稳定性：<±1%RH/年
工作原理：
DHT11 的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构” 检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。

由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。

CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准 C I 2 总线等电路全部集成在一个芯片内。

DHT11 的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。

DHT11 传感器的校准系数预先存在OTP内存中。

经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D 转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线 C I 2 总线器件，从而将数字信号转换为符合C I 2 总线协议的串行数字信号。

操作流程：
用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。

从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集．采集数据后转换到低速模式。

通讯过程如图图1-1所示
图1-1 通讯过程
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。

DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。

主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。

如图1-2
图1-2 通讯过程
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1。

格式见下面图示，如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。

当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

数字0信号表示方法如图1-3所示：
图1-3 数字0信号表示方法
数字1信号表示方法如图1-4所示：
图1-4 数字1信号表示方法VDD=5V，T = 25℃，除非特殊标注。