霍尔式接近开关文档格式.docx

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学号：

2010

霍尔式接近开关设计

2013.10–2013.11指导教师：

设计要求：

（1）利用数电、模电和现代检测技术的理论知识，分析并设计出霍尔式接近开关的原理图。

（2）根据需要控制电源电压范围和频率，通过动态距离等参数控制输出电流的范围。

（3）利用Multisim仿真软件对原理图进行仿真，并利用示波器检测输出端的波形。

（4）根据仿真结果，用原理图绘制PCB印制板。

（5）用元器件焊接实物电路板，并测试，得到验证结果。

（6）撰写方向设计报告，完成答辩。

方向设计学生日志

时间

设计内容

10月20日

确定设计题目的要求

10月21日

分析题目，并在网上查阅与霍尔式传感器相关的资料，确定基本方向

10月22日

与指导老师见面，请教老师关于方向设计的一些要点以及设计的方向

10月23日

复习《现代检测技术》课本上有关霍尔传感器章节的知识并做笔记。

10月24日

阅读霍尔式接近开关相关的文献资料

10月25日

根据老师提供的部分原理图，弄清楚设计原理并列出清单，购买所需要器件

10月26日

用Multisim对设计原理图进行仿真

10月27日

按照原理图以及仿真结果焊接电路板

10月28日

测试作品，看能否满足霍尔式接近开关的基本输入输出要求

10月29日

再次复习霍尔式传感器相关的理论知识和书本知识，准备答辩

11月4日

撰写实验报告

霍尔式接近开关设计

摘要：

本文研究了霍尔式接近开关的基本工作原理以及设计方法。

霍尔式接近开关是基于霍尔效应而制作的典型工业产品，在工业自动化领域起着至关重要的作用。

本文通过原理图的绘制、参数选择、电子设计仿真和实物制作，计算霍尔式接近开关的动作距离，复位距离，回差和重复定位精度等动态性能值。

在研究过程中，重点掌握单极性霍尔器件A1104L的内部电路和工作原理，从而学习如何将霍尔传感器原理延伸到自动控制领域。

关键词:

霍尔传感器；

接近开关；

A1104L。

TheDesignoftheHallProximitySwitch

Abstract：

ThisthesisresearchesthebasicoperationalprincipleandthedesignmethodsoftheHallproximityswitch.TheHallproximityswitchisatypicalindustrialproductthatisbasedontheprincipleoftheHallEffect,anditplaysanimportantroleinthefieldofindustrialautomation.Throughschematicdrawing,parameterselection,electronicdesignsimulationandphysicalproduction,thisthesiscalculatesthedynamicperformancevaluesabouttheactiondistanceoftheHallproximityswitch,resetdistance,hysteresisandrepeatabilityofpositioningaccuracyetc.Intheprocessofresearch,theinternalcircuitandoperationalprincipleofunipolarHalldeviceA1104Lcanbemastered.ThepurposeoftheresearchisputtingtheprincipleoftheHallsensorintothefieldofautomaticcontrol

Keywords:

Hallsensors;

Proximityswitch;

A1104L.

一、设计目的和意义

设计目的：

通过使用Multisim仿真软件和焊接电路板制作实物的方式，制作一个具有实用性的霍尔式接近开关，最终实现输入不同强度的磁信号，通过霍尔传感器和接近开关原理转化为输出不同的电信号的目的。

在设计制作的过程中，熟练掌握霍尔传感器的基本原理，并学习怎样应用简单霍尔效应原理设计制作出能应用在实际工业生产中的自动控制系统。

意义：

在当今的社会，工业技术不断发展，自动控制领域也不断谱写新的篇章。

但是日常生活中所接触到的自动控制系统都采用软件和硬件结合来实现其功能，例如使用单片机或者PLC之类的具有CPU功能的芯片所组成的系统来实现自动控制功能。

那么，如何用一个接近开关来实现自动控制呢？

接近开关，顾名思义，就是通过一个外界的信号来接近传感器件，使传感器件把来自外界的接近信号转化为所需要的电信号，传感信号接近时，开关自动打开，传感信号离开时，开关自动关闭。

接近开关也有很多种类，比如电感式接近开关、电容式接近开关、磁性接近开关、霍尔式接近开关；

这些接近开关的工作原理也有异同点，相同之处是都是通过外界传感信号来触发开关，不同之处是外界传感信号的区别以及内部转换电路的区别。

其中，霍尔式开关的优点在工业应用方面来看，属于比较耐用的产品，也是精确度相对较高的一中接近开关，当然，它的缺点在于霍尔器件自身的散热性能上，所以在散热的时候需要针对它的工作电压范围设计降压电阻。

霍尔式接近开关的设计意义正是霍尔效应向自动化领域的一个重要延伸应用，利用磁铁接近单极性霍尔器件时，通过霍尔器件A1104L和放大电路以及稳压滤波电路，将磁铁的磁信号转化为电信号，也就是霍尔原理当中的霍尔电动势，这个电动势经过单极性霍尔器件A1104L的输出，再通过晶体管的放大作用，最后输出开关量电信号，控制开关。

这个控制的过程也用到了接近开关的一个应用原理，当霍尔器件输入端B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的施密特触发器发生翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转，从而通过LED灯的亮灭来表示输出信号。

霍尔式接近开关把磁信号转化为电信号的基本原理，可以应用在工业控制中自动检测磁感应强度的大小，也可以应用在日常生活之中，比如一些自控门，比如说轿车的车门，打开车门之后可以利用霍尔式接近开关控制车门的关闭。

研究此课题，最深远的意义就在于研究传感器技术向自动化领域的应用延伸。

二、控制要求

（1）霍尔式接近开关的单极性霍尔器件A1104L在磁铁接近一段时间后，电路中的LED灯会亮，磁铁拿开之后灯会灭，要控制单极性霍尔器件内部施密特触发器发生翻转的时间。

（2）仿真电路中，能用示波器检测输出电压信号。

当改变霍尔器件的磁感应强度参数值后，示波器上的电压信号峰值会发生变化。

（3）实物验证时，控制磁铁距离霍尔器件的远近距离、重复定位距离、回差来控制LED灯的亮度。

（4）通过仿真和计算，改变原理图中NPN三极管基极所接电阻的大小，控制输出电压信号的频率，并分析结果。

三、设计方案论证

本课题主要通过对单极性霍尔器件A1104L的内部电路分析，结合霍尔效应原理，设计出一个接近开关，针对单极性霍尔器件的工作参数，经过反复仿真验证和计算，有两种方案可以用于最终的设计，本设计方案的最终选择需要根据霍尔器件A1104L的工作原理和参数范围来做选择，下面将通过原理的分析来论证两个方案。

3.1A1104L工作原理：

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。

两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=K·

I·

B/d其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

　　由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

　　霍尔器件A1104L就属于这种有源磁电转换器件，工作电压为30V，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。

并且能根据电源范围和频率改变内部施密特触发器的触发时间和频率。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。

输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。

3.2A1104L器件参数

类型：

单极开关

供电电压（Vs）4.5-36V；

工作电流：

200mA；

工作温度范围（WorkingTemp）-40～85℃；

封装/外壳：

3-SIP；

灵敏度：

3.125%。

3.3A1104L内部原理图：

图1A1104L内部原理图

图2输入/输出特性

从内部原理图中可以分析出：

当给予A1104L的输入端即VCC端口24V的工作电压时，单极性霍尔器件即可开始工作，通过稳压部分和放大器部分，当磁信号B逐渐增大时，通有电流的金属导体薄片两端的霍尔电位差也组建增加，增加到一定值B1时，达到施密特触发器临界出发点，输出电平随即发生翻转，从Vout端口输出，从实物霍尔器件A1104L也可以看到器件的三个引脚，输出电信号经过晶体管放大电路部分，变为能点亮LED灯的开关。

这就是利用霍尔传感器原理来作为接近开关，点亮LED的原理。

3.4方案对比分析

首先，根据单极性霍尔器件A1104L的特性，两种方案中有两个不同之处：

输入部分是否降压和输出是否接入RC振荡电路。

方案一采用输入不接电阻，直接接入霍尔器件VCC输入端，但电源供电端使用不高于24V的直流电压，输出端不接RC振荡电路，直接通过三极管接地。

这种方案其实是在没有考虑输入散热和输入降压，其优点是减少了电路中的负载，同时也降低了供电电压，从环保的角度考虑，有节约电能的作用。

那么缺点就在于输出部分，如果不采用RC振荡电路，如果因为受到外界干扰，会使输出电平有毛刺，使LED灯显示不稳定。

方案二输入部分接入降压电阻，并考虑到长时间工作后的散热需求，将电阻分散为多个电阻并联，这也算是方案二的优点，然后输出部分采用RC振荡电路，其缺点就是增加了电路的冗余，而且增加了供电电压。

综合两个方案对比分析，方案一的优势在于节能，但不稳定；

反之方案二的优势在于稳定，但不节能。

下面分别是两个方案的输入和输出对比。

方案一方案二

图3方案一和方案二输入输出对比

3.5综合方案论证

通过对整个电路各部分的分析，结合A1104L的原理分析和参数比较以及方案对比，在本次课题研究设计中，选用方案二作为最终仿真和实物制作的根据。

四、系统设计

4.1系统设计框图

电源供电

霍尔元件检测磁信号

输出反相和提供负载能力

产生实际输出电信号

4.2原理图分析设计

图4设计原理图

从原理图的电源端一步步根据各个器件的原理推导整个电路的工作原理，首先是电源输入端，VCC由于霍尔器件A1104L的工作电压是24V，工作电流为200mA，而VCC端口输入电压为36V，所以在输入和霍尔器件之间应该接入2.5K的电阻，但是为了保证霍尔开关长期工作时的散热功能，这里采取八个20K电阻并联的方式来散热。

接下来两个三极管的作用分别是反相和提供负载能力，由于NPN的参数特性，在Q1的基极和电源端增加一个100K的电阻作为上拉电阻，其目的是当A1104L输出端口为高电平时，Q2的集电极为低电平，从而使Q2导通。

而Q2的基极所接电阻，是根据三极管电流导通的特性来计算的，使Q2导通，实现提供负载的能力。

电阻R12和电容C2在这里的作用是构成RC振荡电路，用于消除输出LED灯的电平毛刺，使之为稳定的电压信号。

这一作用在实物电路板中的作用就是使LED等亮度为稳定状态。

LED灯作为整个电路的输出部分，在LED与输出之间接一个10K的电阻，作用是降压，避免输出干扰作用造成的高电压将LED烧坏。

因此，在这个霍尔式接近开关电路中，综合原理就是从电源降压、稳压，到霍尔器件A1104L输出，再经过NPN三极管稳压反相和放大输出，最终控制LED灯的亮灭。

4.3Multisim仿真以及运行结果分析

图5Multisim仿真原理图

图6输出波形图

分析：

由于Multisim软件中没有单极性霍尔器件A1104L，所以在这里我们用压控电源和电阻R6代替，同时，由于采取了方案二做仿真，所以取消了八个降压的电阻。

仿真结果波形图实时展示了控制压控电源频率时，LED灯两端的输出电压信号。

4.4用AltiumDesigner绘制PCB印制板

图7PCB原理图

图8PCB印制板

五、设计结果及分析

（1）Multisim仿真结果分析：

点击运行按钮，LED灯会闪亮，表示又磁铁靠近时LED灯亮，无磁铁靠近时LED灯会灭。

运行波形图表示了输出频率和压控电源频率有直接关系

（2）实物电路板运行结果分析：

当磁铁靠近电路板上的霍尔器件A1104L时，LED灯会亮；

磁铁拿开之后，LED灯熄灭；

同时，改变磁铁的靠近距离和时间，也会改变LED亮灭的时间，这是因为当改变了A1104L的输入磁感应强度的频率和时间，由于霍尔效应需要霍尔电动势达到一定值才会触发施密特触发器，从而改变了内部触发器电平翻转的时间。

六、结束语

自动化专业方向设计，从选题开始到答辩，用时一个月时间。

在这一个月的时间里，查找资料，请教导师问题，设计原理图，制作电路板实物，测试和验证。

学习到了很多大学四年都没学到的知识，对我来说最大的感触是，把一个小小的理论知识应用到动手实践的过程中，就可以延伸到自动化所有课程的基础知识，这或许就是专业知识结构的重要性。

自动化专业学习的理论知识非常广泛，可以说强电弱电，软件硬件都学了，但是都只是学到了皮毛，需要我们选择自己适合的研究方向，并重视理论和实践的结合。

这次制作霍尔式接近开关，最基础的理论知识来源于我们所学习过的《现代检测技术》课本上的霍尔传感器章节。

书上的理论知识很简单，只讲了霍尔效应原理和霍尔传感器知识。

当我们把这一简单的理论知识应用到工业自动化控制领域时，才发现这其中隐藏了巨大的应用，需要我们自己去发掘。

霍尔效应是一个磁信号向电信号的转化过程。

从而延伸出利用信号的转换来控制开关电路的理论。

在设计霍尔式接近开关的过程中，有几大难题，第一是单极性霍尔器件A1104L的参数和原理研究，其中内部原理包括了磁电转换的过程，第二是输出电信号的放大电路，解决这一个问题需要着重研究模拟电子技术基础中的NPN三极管知识；

第三是电平信号消除毛刺，也就是整流，因为霍尔器件所受到的干扰，需要对输出整流。

这个理论的实现用了RC振荡电路。

总之，专业方向设计是为毕业设计打下基础，同时培养了我们自身的动手实践能力和分析解决问题的能力。

七、参考文献（递增引用，引用相关内容）

[1]华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编.电子技术基础模拟部分[第五版].北京：

高等教育出版社,2005.

[2]自动化博览，湖南建材高等专科学校电子信息工程系，邓重一，接近开关原理及应用，文章编号：

TP241

[3]邱关源编,电路[第五版].北京：

高等教育出版社,2007.

[4]孙传友，张一主编.现代检测技术及仪表[第二版].北京：

高等教育出版社,2011

八、附录（程序、电路图等）

图9仿真原理图

图10PCB原理图

图11PCB顶层

图12PCB底层

图13PCB丝印层