霍尔传感器在卫生间自动控制器电路中的应用

俞昕

摘 要：目前，霍尔传感器已成为使用广泛的磁传感器之一，传感器技术作为现代信息社会的三大支柱技术，被广泛地应用于国民经济的各个领域，本文简单介绍了霍尔效应，并设计了基于霍尔传感器的卫生间自动控制器电路。在分析卫生间自动控制器功能的基础上，针对装置的每个功能，分别完成了直流电源，照明灯控制电路，抽水马桶控制电路的分析与设计

关键词：霍尔传感器；直流电源；照明灯控制；抽水马桶控制

1 概述

在自动控制系统的电子电路中，普遍使用的是霍尔开关，它能够感受接近物体磁通的变化，利用这种传感器对接近物体磁通变化的敏感特性达到控制开关通、断的目的。

2 霍尔传感器的介绍

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。

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。

3 霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直与薄片，如图所示，

当有电流I流过薄片时，在垂直与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动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。

4 总体介绍

卫生间控制装置具有照明灯和抽水马桶自动控制功能。当打开卫生间门后，门被打开一次，照明开关被接通，照明灯自动点亮；经过任意时间后关门，，照明燈自动熄灭。当用厕后，抽水马桶会自动地进行冲水，并可进行手动控制。

5 局部电路分析

1、照明灯控制电路

照明灯控制电路

（1）主要元器件

1）、 CD4013真值表，引脚图及功能

CD4013的功能；

CD4013是一双D触发器，由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q*输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。

2）、双向晶闸管

双向晶闸管也是一个三端器件，有两个主电极T1，T2和门极G，双向晶闸管的等效电路、电气符号如图4所示。

双向晶闸管可看作由两个普通晶闸管反并联组成，触发信号加在门极G和主电极T2之间。主电极在正负电压作用下均可用同一门极触发导通。双向晶闸管门极加正、负脉冲都可以触发。但UT1T2<0时，虽可采用正脉冲触发，固灵敏度低，一般不用。因此，UT1T2>0时，可采用正、负脉冲触发；UT1T2<0时，只采用负脉冲触发。

（2）直流电源的分析

整个电路需要一个12 V的直流电源来提供直流电。如果用直流电池供电，则不能满足长时间的工作要求。因此，选用电容降压式直流稳压电源电路来产生直流电源。将市电先后通过电容降压、半波整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的12 V直流电压。这部分电路是由C1、R1、VD1、VD2和C2构成的。其中电容C1用于降压限流，二极管VD1用于整流。

（3）自动控制装置中霍尔开关的分析

霍尔开关是开关型霍尔集成电路的一种应用形式。首先，开关型霍尔集成电路输出的是数字信号，“0”代表低电平，“1”代表高电平。其次，霍尔器件是一种磁电转换的磁敏传感器，它可以感受磁场的变化，因此需要使用磁性物体作为其接近物体，通过霍尔开关检测磁性物体的存在与否，达到控制开关通、断的目的。由卫生间自动控制装置的第一个功能可知，当人打开卫生间门后，照明灯就自动点亮；人离开卫生间关上门后，照明灯熄灭。

（4）照明灯控制电路的分析

IC1～IC2是D触发器，IC1的暂稳态时间由R3和C3决定，一般3—5s，如果在这段时间内打开门数次，IC1输出不变，LED1是卫生间内有，无人的指示灯，LED1发光表示卫生间里有人且EL被点亮；LED1熄灭表示卫生间里无人用侧且EL熄灭，SB是手动按钮，这是为了某些特殊情况的要求而设置的。其中IC1接成单稳态电路，由于其置位端S国定接地，所以Q1输出低电平。IC2电路在刚接通电源的瞬间，有一经C4和R5微分后的正尖峰脉冲作用于复位端R，迫使IC2复位，Q2端输出低电平，晶体三极管VT1截止。双向晶闸管VS1阻断， 照明灯EL不亮。与此同时，发光二极管LED1亦不发光。在平时，卫生间门总是关闭的，安装在门上方的霍尔传感器B与门下方门框上的磁刚靠近，B输出低电平。无脉冲触发。IC1和IC2不翻转，VT1和VS1截止，EL和LED1均熄灭。

2、抽水马桶控制电路

（1）主要元器件

1）光耦合器的相关知识及应用

光敏三极管的另一个作用是传输信号，光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

2）光耦合器工作原理

用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。

（2）抽水马桶控制电路的分析

LED2为红外发光二极管，由12V恒定直流电压驱动发出红外光，R8为其限流电阻。LED2与光敏三极管VT2组成对射式红外光控电路。VT2受LED发出的红外光照射呈低电阻，晶体三极管VT3截止，其发射极为低电平，无脉冲触发IC3 Q3端，即与门F一个输入端为低电平，而光敏三极管VT4与晶体三极管VT5组成另一路光控电路。由于门关闭，VT4无光照，呈高电阻，VT5截止，其集电极为高电平。其一路输入与门F的另一个输入端，另一路经电阻R11向C5充电，所以，F输出低电平，晶体管VT6，双向晶闸管VS2均截止，电磁铁KM不吸合，抽水马桶不冲水。

当人离开卫生间并关上门时，由于照明灯EL的自动熄灭，VT4无光照，VT5截止，其集电极电位为高电平，使F的两个输入端均为高电平，经VT6放大驱动VS2导通，电磁铁KM得电，使抽水马桶冲水，与此同时，VT5的集电极高电平又经R11向C5充电，待C5两端电压上升到IC3的R端门限电平时，IC3复位，Q3端变为低电平，停止冲水，并为下次上厕做好准备。

可见，抽水马桶冲水的时间由R11、C5组成的延时电路控制。

6 结束语

自动开关灯以及抽水马桶自动冲水的控制电路，不仅节约了资源而且方便了人们的生活。通过霍尔传感器在卫生间自动控制电路中的应用，使我对霍尔传感器有了更加深刻的了解和认识，它不仅在工业方面有着非常重要的应用，而且在人类生活中的应用也很广泛。

参考文献

（1） 《传感器应用400例》 王煜东

（2） 《传感器及应用》 王婕婷

（3） 《霍尔效应在位置控制中的应用》 张寿安