01 问题提出

我有了一个发现,关于节能信标上面的霍尔传感器的,我们为了社团招新,这两天在做一些花里胡哨的东西,其中有一个是利用视觉暂留产生图像的类似全息的风扇,上面也用到了霍尔来做位置检测,我们发现用节能信标灯上的霍尔会出现转速一快就无法检测位置的问题,后来换成霍尔编码器里的那种高速霍尔后问题成功解决,所以我怀疑节能信标灯不触发原因并不是灵敏度不够或磁场不够强,而是这种霍尔不适合在高速场合下使用。

 

▲ 图1.1.1 用于旋转LED显示风扇上的霍尔传感器

  

就是这种,是编码器里用于测速的霍尔。

 

02 实验测试

一、信标上的HALL器件

1、基本信息

根据 无线信标功能调试-2021-3-9-HALL检测与主控接口[1] 对于节能信标上的HALL器件调试来看,HALL的型号应该是 OH9213 高灵敏度全极霍尔开关[2] 。后期的光盘上的器件则使用 YS1382无极性HALL开关。[3]

 

▲ 图2.1.1 信标灯上发光盘上的HALL器件

 

▲ 图2.1.1.0 发光盘上的无极性HALL器件

 

2、休眠模式

根据 OH9213的介绍[4] ,这是一款无极性HALL器件。为了降低长期间的工作电流,器件采用了周期休眠模式。器件检测周期为140ms。 YS1382[8] 工作方式与OH9213是一样的。

 

▲ 图2.1.2.0 YS1382内部的功能图

OH9213 是一款基于混合信号CMOS 技术的无极性霍尔开关。在电路设计上,OH4913提供了一个内嵌的受控时钟机制来为霍尔器件和模拟信号处理电路提供时钟源,同时这个受控时钟机制可以发出控制信号使得消耗电流较大的电路周期性的进入“休眠”模式;同样通过这个机制,芯片被周期性的“唤醒”并且根据预定好的磁场强度阈值检测外界穿过霍尔器件磁场强度的大小。如果磁通密度高于“操作点”阈值或者低于“释放点”阈值,则开漏输出晶体管被驱动并锁存成与之相对应的状态。而在“休眠”周期中,输出晶体管被锁定在其先前的状态下。在电池供电应用中,这种设计对于延长工作寿命提供了支持。

  

下图显示了器件周期休眠与工作的状态。

 

▲ 图2.1.2 OH9213工作状态

  

因此,根据上面介绍,当这种器件用于检测车模通过时,当车模通过速度过快,在其表面停留的时间小于0.14秒,就有可能无法被检测到。

 

二、验证实验

1、测试方法

(1) 磁铁转动

使用小型电机带动一个永磁铁转动。旁边放置YS1382无极性霍尔开关感应转动的磁铁所产生的变化磁场。

 

▲ 图2.2.0 直流电机带动小型永磁铁

 

(2)霍尔开关YS1382

直接从节能信标灯的光盘上拆卸下一个霍尔器件, 使用导线将三个管脚引出之后,在面包板上搭建测试电路。

 

▲ 图2.2.0.0 面包板上的测试电路与小型直流电机

  

使用示波器观察霍尔器件 YS1382的输出信号波形。

 

2、测试结果

使用DH1766可编程直流电源为直流电机提供工作电源。电压改变可以改变电机的转速。

 

▲ 图2.2.1  直流电机带动小型永磁铁

 

(1)电机低速旋转

电机工作电压为0.4V,电机转动速度慢,但相对是匀速转动。下面是霍尔YS1382输出的信号波形,可以观察到它并不是一个周期波形,而且频率与电机转动的频率也不一致。

 

▲ 图2.2.2.1 低速下霍尔输出信号波形

 

(2)电机高速旋转

将电机的工作电压提高到0.83V,电机转速提升了两倍。此时霍尔输出信号的波形频率反而下降了。

 

▲ 图2.2.2.2 高速下霍尔输出信号波形

 

(3)特高速旋转

将电机的工作电压提高到1.7V,电机转速非常快。下面是测量霍尔输出的波形。可以看到其中霍尔器件输出低电平的时间大约为140ms,这与YS1382的休眠周期基本上一致。

▲ 图2.2.2.3 特高速旋转

 

※ 测试结论 ※

一、信标灯霍尔器件不合适

根据参赛全国大学生智能车竞赛同学在 CSDN博客私信[5] 中的反馈,提醒了在第十六届全国大学生智能车竞赛信标组比赛中,车模出现偶然无法触发信标的现象背后的原因,应该是所使用的霍尔器件种类不合适。

  

在信标灯盘上用于检测车模通过的霍尔器件是一种高灵敏度、低功耗的无极性霍尔开关。它会以140ms左右的周期重复进入休眠状态,从而降低期间的工作电流。但对于高速通过的车模触发磁铁来讲,这有可能会造成漏检。

  

通过实验验证了上面的结论。

 

 

二、对信标灯的改进

改进信标灯可以从以下两个方面展开。

 

1、更换霍尔器件

更换其它类型的没有休眠特性的开关霍尔器件,来避免上面问题。为了达到无极性的要求,可以在每个检测位置都安排正反两个霍尔器件,这样无论磁铁的极性如何都可以正常触发。

  

这种方案虽然可以降低车模对于信标灯的漏检概率,但还是存在在对抗比赛中,两个车模有可能会吸合在一起的问题。

 

2、使用光电检测

在 基于LM567制作的反射式红外检测电路,用于节能信标检测电路[6] 中测试了利用反射式红外检测信标灯的方案,灵敏度很高。

  

这种方式不仅可以避免漏检的问题,同样也无需车模安装永磁铁,避免车模对抗车模吸合在一起。方案的缺点就是需要在发光盘的中央开启一个直径在1 ~ 2厘米的孔洞。

     

最后,我代表竞赛组委会对于反馈修改意见的同学表示感谢。

 

参考资料

[1]无线信标功能调试-2021-3-9-HALL检测与主控接口: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/114654170

 

[2]OH9213 高灵敏度全极霍尔开关: https://www.zyzhan.com/st63858/product_1386448.html

 

[3]YS1382无极性HALL开关。: http://pro61b5d9.pic23.websiteonline.cn/upload/YS1383.pdf

 

[4]OH9213的介绍: https://item.szlcsc.com/138871.html

 

[5]CSDN博客私信: https://im.csdn.net/chat/weixin_45214096

 

[6]基于LM567制作的反射式红外检测电路,用于节能信标检测电路: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120317194