基于霍尔传感器钢球自动计数装置的设计与制作

职业技术学院 课程设计

基于霍尔传感器钢球自动计数装置的设计与制作

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2011年5月

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摘要

在进入21世纪的今天，机械制造和电子产品的的的应用已经蓬勃发展，而钢球自动计数就是这两者的完美结合。它不仅有着超高标准的机械工艺，而且在电子产品的制造和应用方向有着严格的要求。钢球自动计数要求掌握检径筛选机构、分组计数机构、供球机构,控制系统和霍尔计数装置。这就要求对机械制造工艺电子工艺很熟悉。对霍尔传感器系统控制的设计过程有较充分的了解和掌握。对现代放大器uA741和三极管2N5812的原理熟知。关于计数部分 ，使用74160N芯片、7406N、封装DCD-HEX led显示数码管联接计数电路。钢球自动计数装置用机械化取代手工作业，效率高、确保质量，实现了轴承装配钢球的多种规格多种功能的机械化作业。在科学技术不断发展的今天，钢球自动计数装置的作用也日趋重要。本设计采用霍尔传感器作为设计的核心单元，设计了一款具有自动检径计数的高效装置。即简单又实用。

关键字：放大器uA741，三极管2N5812，UGN-3501T霍尔传感器，74160N

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目 录

一 钢球自动计数装置基本介绍和实用电路

1.1 霍尔传感器及部分元件的基本介绍..................................5 ①霍尔效应..........................................................5 ②霍尔元件基本结构..................................................6 ③霍尔元件基本特性..................................................7 ④霍尔元件不等位电势补偿............................................8 ⑤霍尔元件温度补偿.................................................10 ⑥霍尔传感器基本应用...............................................11 ⑦A741型运算放大器................................................13 ⑧2N5812三极管....................................................14

二 钢球自动计数装置电路的计数器实现

2.1 74160N的基本介绍.............................................15

2.2十进制计数器设计..............................................16

①原理........................................................16 ②创建电路....................................................17

三 课程设计总结………………………………………………………………18 四 参考文献……………………………………………………………………19

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一 钢球自动计数装置基本介绍和实用电路

1.1霍尔效应

图1.1霍尔效应动画演示

置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。

霍尔电压UH为：

IBUH KHIBnedn—载流子数浓度 e—电子电量

式中

KH—霍尔元件灵敏度 KH＝1/ned

霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高, 但电阻率很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。 其中N型锗容易加工制造, 其霍尔系数、 温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好, 其霍尔系数、 温度性能同N型锗相近。锑化铟

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对温度最敏感, 尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温度系数也较小, 输出特性线性度好。

表 1- 2 为常用国产霍尔元件的技术参数。

表1 –2常用国产霍尔元件的技术参数

1.2霍尔元件基本结构

霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如图1 -3(a)所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图1- 3(b)所示。

图1– 3 霍尔元件

（a）外形结构示意图 (b)图形符号

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霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成连续测量。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。

1.3霍尔元件基本特性

1） 额定激励电流和最大允许激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而性增加, 所以, 使用中希望选用尽可能大的激励电流, 因而需要知道元件的最大允许激励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 可以使激励电流增加。 

2） 输入电阻和输出电阻

激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。  3） 不等位电势和不等位电阻

当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。图7-11 产生这一现象的原因有:

 ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 

② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;  ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。  不等位电势也可用不等位电阻表示

U0

r0IH式中: U0——不等位电势;  r0——不等位电阻;  IH——激励电流。

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由上式可以看出, 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。

图1-4 不等位电势示意图

4） 寄生直流电势

在外加磁场为零#, 霍尔元件用交流激励时, 霍尔电极输出除了交流不等位电势外, 还有一直流电势, 称寄生直流电势。 其产生的原因有: 

① 激励电极与霍尔电极接触不良, 形成非欧姆接触, 造成整流效果;

② 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不同, 散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般在 1mV以下, 它是影响霍尔片温漂的原因之一。 

5） 霍尔电势温度系数

在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化1℃时, 霍尔电势变化的百分率

称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。

1.4霍尔元件不等位电势补偿

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势， 而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 图1-5为霍尔元件的等效电路，其中A、 B为霍尔电极，C、 D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上， r1= r2= r3= r4 ，电桥平衡，不等位电

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势U0为0。实际上，由于A、 B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、 B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡， 从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图1-6所示。图（a）、 （b）为常见的补偿电路， 图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻， 图（d）用于交流供电的情况。

图 1 –5 霍尔元件的等效电路

图 1 –6 不等位电势补偿电路

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1.5霍尔元件温度补偿

霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。 

为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用恒 温措施外, 由UH=KHIR可看出：采用恒流源供电是个有效措施, 可以使霍尔电势稳定。 但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数, 它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成

KH=KH0（1+αΔT）

式中: KH0——温度T0时的KH值;   ΔT =T- T0——温度变化量;  α——霍尔电势温度系数。

并且大多数霍尔元件的温度系数α是正值, 它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+αΔT）倍。如果,与此同时让激励电流I相应地减小, 并能保持KHI乘积不变, 也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。图 1–7 就是按此思路设计的一个既简单、 补偿效果又较好的补偿电路。

电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时, 旁路分流电阻Rp自动地加强分流, 减少了霍尔元件的激励电流I, 从而达到补偿的目的。

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图 1 –7 恒流温度补偿电路

在图 1- 4 所示的温度补偿电路中, 设初始温度为T0, 霍尔元件输入电阻为Ri0, 灵敏系数为KH1, 分流电阻为Rp0, 根据分流概念得

IH0IRp0Rp0Ri0

当温度升至T时, 电路中各参数变为

Ri=Ri0（1+δΔT） Rp=Rp0（1+βΔT） 



式中: δ——霍尔元件输入电阻温度系数;  β——分流电阻温度系数。

则

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1TIIRR I

RRR1TR1Tpp0Hpip0i0

UH0UH

KIH0H0BKHIHB KHIH

KIH0H0将上式经整理并略去α、β、 (ΔT)2高次项后得

Rp0

aRi0a

当霍尔元件选定后, 它的输入电阻Ri0和温度系数δ及霍尔电势温度系数α是确定值。由上式可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数β值。为了满足R0及β两个条件, 分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, 这样虽然麻烦但效果很好。

1.6霍尔计数装置

霍尔开关传感器SL3501具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化， 因而可对金属零件进行计数检测。

下图是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器可输出峰值 20 mV的负脉冲电压，该电压经运算放大器(μA741) 放大后， 驱动半导体三极管V(2N5812)工作， V输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。

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图1 –8 霍尔计数装置工作示意图及电路图

1.7 A741型运算放大器

宽范围的共模电压和无阻塞功能A741型运算放大器具有广泛的模拟应用。

可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，它还具有如下特点：（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。

A741型运放双列直插封装的俯视图如图1 - 9(a)所示。紧靠缺口（有时

也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，…，8。其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图(b)所示。调整电位器，可使失调电压为零，

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空端U+OUT调零8765231U+7-++546-+1234U-

调零IN-IN+U-

图 1 – 9 A741型运算放大器的封装图

1.8 2N5812三极管

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关。

晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。

2N5812所用材料：Si-NPN,用途及参数：=2N5812:>135MHz, >150。

图 1 – 10 2N5812结构图

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二 钢球自动计数装置电路的计数器实现

2.1 74160N的基本介绍

图 2 – 1 74160N逻辑电路引脚图

CLK RCD LOAD EP ET 工作状态 X 0 X X X 置零  1 0 X X 预置零 X 1 1 0 1 保持 X 1 1 X 0 保持（但C=0）  1 1 1 1 计数

表 2 –2 74160N逻辑功能表

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2.2十进制计数器设计 2.2-1原理

74160N位同步清零、同步预置的同步四位二进制计数器。74160N的逻辑符号如图 4 – 2 中器件U1所示。CLR为同步清零端；LOAD为同步置数端；ENT、ENP为计数控制器，且高电平为有效电平；D、C、B、A为预置数输入端；QDQCQBQA为输出端，RCO为进位端，且逢十六进一。

2.2-2创建电路

1）在元器件库中选中74160N，再利用同步置数LOAD构成十进制计数器，故取清零端CLR、计数控制器ENP、ENT接高电平1（VCC）。

2）取方波信号作为时钟计数器输入。双击信号发生器图标，设置电压5V，频率为0.1KHz。

3）送数段LOAD同步作用，设并行数据输入DCBA=0000,LOAD取QDQA的与非，当QDQCQBQA=1001时，LOAD=0,等待下一个时钟脉冲上升沿到来，将并行数据DCBA=0000置入计数器。

4）在元件库中单击显示器件选中带译码的七段LED数码管U3。连接电路如图4 – 2 。

图 4 – 2 74160N构成的十进制计数器

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图 5 – 1 钢球自动计数原理图

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三 课程设计总结

首先要感谢的是我们的指导教师XX老师。在课程设计和撰写的过程中，他给了我们莫大的指导和支持，无论从课程设计的实施、选题，还是到收集资料、成稿，都倾注了XX老师的心血。由衷感谢XX老师在课程指导及各方面所给予我们的关心，以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。 XX广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我们终身受益，并激励我们勇往直前。在此，谨向老师致以诚挚的谢意。

四 参考文献

《传感器与自动检测》 自己可搜素些

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