傳感器為微處理系統(tǒng)提感測(cè)周圍環(huán)境條件提供了一個(gè)窗口，光傳感器及磁性傳感器在測(cè)定物體的出現(xiàn)、離開(kāi)和運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文介紹光傳感器和磁性傳感器的基本類型、應(yīng)用及其與微處理器的接口問(wèn)題。

　　圖1顯示的是槽式光傳感器開(kāi)關(guān)，將一個(gè)發(fā)光二極管(LED)置于正對(duì)光電晶體管的塑料座中，發(fā)光二極管與光電晶體管之間有一個(gè)縫隙。如果物體穿過(guò)這個(gè)縫隙，它將阻斷LED和光電晶體管之間的光路。槽式開(kāi)關(guān)通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上放置一個(gè)開(kāi)槽的輪子來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)速度。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，它交替地阻斷光路。槽式開(kāi)關(guān)也用于指示門或罩的開(kāi)關(guān)或閉合。當(dāng)門是閉合的時(shí)候，門上的標(biāo)志會(huì)落入槽內(nèi)并阻斷光路。

　　圖1b顯示了一個(gè)反射傳感器，其工作原理是相似的。反射傳感器上的光電晶體管截取由開(kāi)關(guān)前部任何地方反射來(lái)的光。大部分反射傳感器都有焦距長(zhǎng)度，即檢測(cè)被放置物體的最佳距離，該距離通常在0.1和0.5寸之間。反射傳感器通常通過(guò)著色或陽(yáng)極處理使發(fā)動(dòng)機(jī)軸變黑來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)情況， 然后將由反射材料制成的帶狀物置于軸上。由于軸在旋轉(zhuǎn)，傳感器就不能從軸的黑色部分收到反射，卻能夠從反射帶上收到強(qiáng)烈反射。如圖1c所示，槽式或反射光傳感器具有相同的電路符。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都要注意兩類傳感器具有共同特征。

　　電流傳輸率(CTR)

　　LED和光電晶體管對(duì)的增益通常少于1。在給定LED電流的情況下，光電晶體管集電極中產(chǎn)生的電流被稱為電流傳輸率(CTR)。通常槽式開(kāi)關(guān)的CTR是0.1，因此，LED中10mA的電流會(huì)在集電極中產(chǎn)生1mA的電流。有時(shí)CTR以比率或表格形式描述集電極電流與LED電流的關(guān)系。CTR取決于LED和光電晶體管的特性，并因光傳感器的不同而有很大不同。

　　當(dāng)需要將光傳感器與處理器接口時(shí)，電流傳輸率有幾層含義。首先，如圖2所示，如果將開(kāi)關(guān)直接接口到數(shù)字輸入端，晶體管輸出值將會(huì)在有效邏輯電平之間擺動(dòng)。要確保光電晶體管飽合，就要限定上拉電阻的值。例如，如果用10mA驅(qū)動(dòng)LED且CTR的最低值為0.1，則上拉電阻的值約為5kΩ。

　　電阻值越低，抗擾度越好，運(yùn)行速度更快，但并不適用于所有的光傳感器。晶體管必須吸收足夠的電流以確保有效的邏輯低電平。如果想使用較小的上拉電阻，可采用具有較高CTR的光傳感器開(kāi)關(guān)或具有更大驅(qū)動(dòng)電流的LED。光傳感器開(kāi)關(guān)具有達(dá)林頓晶體開(kāi)關(guān)輸出形式，它通常具有比圖1更高的CTR，但通常它們也只有單只晶體管輸出速度的20%，且飽合電壓較高。

　　反射傳感器也可以采用CTR來(lái)評(píng)估。由于傳感器取決于反射光，CTR取決于表面類型和反射表面與傳感器之間的距離。反射傳感器的CTR取決于標(biāo)準(zhǔn)反射表面，該表面被置于與傳感器相距特定距離的焦點(diǎn)位置上。

　　反射傳感器的CTR因器件和應(yīng)用的不同而不同。如果傳感器面對(duì)的是一個(gè)在灰色和黑色之間轉(zhuǎn)換的表面，則CTR與生產(chǎn)廠家所采用的白色參考面測(cè)得的CTR就會(huì)不相同。設(shè)計(jì)必須適應(yīng)由傳感器應(yīng)用所得出的實(shí)際CTR。確定CTR范圍的一個(gè)方法是測(cè)量具體應(yīng)用的CTR，然后采用相同傳感器與由傳感器生產(chǎn)廠家用白色參考面測(cè)得的CTR進(jìn)行比較，這樣將會(huì)得到所期望的CTR參考范圍。

　　由于光傳感器的CTR范圍很大，可能須將傳感器的輸出端接口到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，這樣可采用軟件來(lái)查找輸出電平的變化，而非取決于產(chǎn)生數(shù)字邏輯電平的元件的能力。當(dāng)然，這樣做的代價(jià)就是增加一個(gè)ADC并且需要更多的時(shí)間進(jìn)行ADC取樣。

　　檢測(cè)速度

　　任何光傳感器中光電晶體管的速度相當(dāng)慢，這一點(diǎn)限制了檢測(cè)的最大速度。開(kāi)關(guān)時(shí)間的典型值分別是8 ms和50ms。如果傳感器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)LED由軟件控制，這一軟件必須在讀取傳感器的輸出時(shí)，對(duì)開(kāi)啟和關(guān)閉延遲予以考慮。

　　機(jī)械不穩(wěn)定性

　　機(jī)械抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致反射傳感器異常。例如，通過(guò)觀察扁平黑色發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的發(fā)光帶，反射傳感器可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)次數(shù)，這種傳感器電流的輸出產(chǎn)生的是中斷信號(hào)。有時(shí)候，發(fā)光帶恰好在傳感器的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)停止。機(jī)器震動(dòng)會(huì)引起處理器產(chǎn)生大量的中斷信號(hào)，從而有效地關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　可以設(shè)想一個(gè)與槽式傳感器相似的情形，如果阻斷光路的標(biāo)志只是使光電晶管變得部分模糊，從而使光電晶體管運(yùn)行不良，造成不確定的輸出。因此硬件設(shè)計(jì)可以應(yīng)用比較器電路的時(shí)滯原理，將這一問(wèn)題很好地解決。

　　反射傳感器則要做一些補(bǔ)充考慮。反射傳感器常用于傳感不同類型的物體表面。一個(gè)典型的例子就是高速分選機(jī)分選紙張。紙的質(zhì)量、顏色和反射特性不同。傳感系統(tǒng)必須被設(shè)計(jì)成能夠處理各種材料。在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)速應(yīng)用中，油膜覆蓋了軸的扁平黑色元件，將會(huì)發(fā)生什么？對(duì)于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的傳感器的功效有何影響？

　　在某些情況下，可能要增加硬件或軟件(或兩者兼有)來(lái)檢測(cè)異常狀況。在這個(gè)例子當(dāng)中，當(dāng)反射傳感器產(chǎn)生過(guò)多中斷信號(hào)時(shí)，軟件會(huì)有一個(gè)記錄中斷時(shí)間的計(jì)時(shí)器。如果傳感器中斷服務(wù)程序被退出又立即重新進(jìn)入，中斷服務(wù)程序可能會(huì)禁止中斷并設(shè)定標(biāo)志來(lái)告知系統(tǒng)的其它部分：現(xiàn)在出故障了。

　　LED的失效

　　在對(duì)安全性要求高的系統(tǒng)中，要保證傳感器出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)造成系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)安全問(wèn)題，一個(gè)典型的例子是安全罩必須在機(jī)器啟動(dòng)前就閉合，它要求所有危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)部件都要被罩起來(lái)，當(dāng)罩子閉合時(shí)，操作員的手就不礙事了。當(dāng)罩子閉合時(shí)，可以采用槽式光傳感器開(kāi)關(guān)和阻斷光路的標(biāo)志來(lái)解決罩的檢測(cè)問(wèn)題，然后將光電晶體管發(fā)射極連接到地線并用電阻器將集電極上拉。當(dāng)標(biāo)志阻斷傳感器時(shí)，晶體管關(guān)閉，輸出變高。

　　開(kāi)路或未連接的LED對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就好像閉合的罩子一樣，可能會(huì)在罩子還打開(kāi)的時(shí)候嘗試啟動(dòng)，這時(shí)就要在罩子閉合時(shí)用標(biāo)志清除路徑，出現(xiàn)故障的LED就好像打開(kāi)著的罩子一樣，似乎整個(gè)系統(tǒng)是安全的(實(shí)際上不是)。一種更加安全的方法是采用兩只傳感器，一只傳感器當(dāng)罩子開(kāi)啟的時(shí)候被阻斷，另一只傳感器當(dāng)罩子閉合的時(shí)候被阻斷。為確保操作員的安全，除非兩種傳感器均處于正確狀態(tài)(罩子閉合)時(shí)，才可以啟動(dòng)機(jī)器。

　　有時(shí)候，需要知道光傳感器中的LED是否出現(xiàn)故障，這時(shí)可以采用槽式開(kāi)關(guān)來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否在運(yùn)轉(zhuǎn)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，就可以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)被堵塞或傳感器的LED是否出現(xiàn)故障(或斷開(kāi)連接)，從而方便顯示正確的故障診斷信息。圖3是一個(gè)有關(guān)檢測(cè)失效LED的簡(jiǎn)單例子。比較器感測(cè)到LED正極上的電壓。當(dāng)LED開(kāi)啟時(shí)，它將使電壓下降約1.2V(典型值)，因此比較器輸出變高。如果打開(kāi)LED，正極的電壓將會(huì)升到Vcc(要使LED工作，Vcc必須大于3V)。圖中所示LED電路始終是開(kāi)啟的。這種方法也可用于開(kāi)關(guān)式LED，但當(dāng)選擇參考電壓時(shí)，要考慮將開(kāi)關(guān)晶體管的電壓降考慮進(jìn)去。當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，軟件一定檢測(cè)不到比較器的輸出。

　　盡管斷開(kāi)的LED與短路的LED極其相似，也可以再增加一個(gè)比較器來(lái)檢測(cè)短路情況。參考電壓為0.6V，如果電壓降低于參考電壓，系統(tǒng)軟件將會(huì)提示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

　　其它光傳感器方案

　　除了槽式開(kāi)關(guān)和反射傳感器，光傳感器也可用做光隔離器以及分立光傳感器發(fā)射器和接收器。

　　光隔離器(也稱為光耦合器)可在像IC一樣的封裝物內(nèi)安裝LED和光電晶體管。光隔離器不能用來(lái)檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是在兩個(gè)電路之間提供電隔離。光傳感器是被密封的，因此它無(wú)法阻斷光路。光隔離器通常用于將高壓電路與控制它的微處理器隔離開(kāi)。樂(lè)器的數(shù)字接口技術(shù)(MIDI)就是運(yùn)用光隔離器來(lái)使電子樂(lè)器連接起來(lái)，防止由不同地線電壓造成的問(wèn)題。

　　圖4顯示光隔離器中信號(hào)從一個(gè)電路中傳遞到另一個(gè)電路的過(guò)程，而且地線和系統(tǒng)的電源接口或許是完全分開(kāi)的。即使在一條地線看似相同的單一系統(tǒng)中，光隔離器也可用于隔離地回路，或?qū)⒌鼐�的燥音(如脈寬調(diào)制發(fā)動(dòng)機(jī)燥音)阻擋在邏輯/模擬地線之外。光隔離器輸出邏輯電平，與光電晶體管的輸出不同，這些光隔離器裝置的IC內(nèi)部有其它電路已將模擬輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓輸出。

　　光隔離器有著與光傳感器相同的增益和速度問(wèn)題，然而，由于LED與光電晶體管座更近，光隔離器的CTR通常較高，典型值在0.2-1的范圍內(nèi)。

　　光隔離器的速度通常比光傳感器開(kāi)關(guān)的速度快，通用的4N35光隔離器每次會(huì)有10ms的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，因此它可傳遞10kHz的信號(hào)。要獲得高速隔離，通常要采用快速的光絕緣器。6N136的速度約1MHz，這種元件是將一個(gè)光電二極管接口到晶體管上來(lái)實(shí)現(xiàn)高速的。

　　分立光傳感器

　　有一種設(shè)計(jì)需要采用分立光傳感器元件--LED或光電晶體管。這與封裝在光傳感器開(kāi)關(guān)中的元件類似，通常是紅外線傳感器。它們通常用于檢測(cè)在LED和光電晶體管之間被物體所阻擋的情況，因?yàn)檫@些地方的物理特性不容許采用槽式開(kāi)關(guān)傳感器。

　　分立元件是以跟光傳感器開(kāi)關(guān)或光電晶體管相同的方式進(jìn)行接口的，不過(guò)有幾個(gè)補(bǔ)充考慮因素。由于傳感器與光電晶體管的距離通常較大，因此CTR較低。電路中要用到軟件調(diào)節(jié)LED電流或感應(yīng)門限以確保穩(wěn)定和重復(fù)的運(yùn)行。在某些情況下，為了聚光需要采用透鏡，軟件的調(diào)整可以補(bǔ)償因LED和光電晶體管相距遠(yuǎn)以及公差累加造成的不一致。

　　在光傳感器開(kāi)關(guān)內(nèi)，LED和光電晶體管須與同一紅外波長(zhǎng)(IR)匹配。盡管絕大部分IR光電晶體管和LED匹配良好，實(shí)際上，這些元件在IR范圍的峰值波長(zhǎng)附近工作。當(dāng)采用分立元件的時(shí)候，最好采用為相同IR范圍而設(shè)計(jì)的LED和光電晶體管。如果這些元件之間距離不同，則在其耦合距離一端的LED和在其耦合距離另一端的光電晶體管就構(gòu)成具有較低CTR的系統(tǒng)。

　　磁性傳感器

　　在嵌入式設(shè)備中采用的最簡(jiǎn)單的磁性傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。霍爾效應(yīng)是由Edwin Hall博士于1879年發(fā)現(xiàn)的。在磁場(chǎng)存在的情況下，載流半導(dǎo)體器件置于磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓和電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。

　　霍爾效應(yīng)傳感器在硅片上制成，產(chǎn)生的電壓只有幾微伏/高斯。因此，要采用高增益放大器把從霍爾元器件輸出的信號(hào)放大到可用的范圍，霍爾效應(yīng)傳感器已經(jīng)把放大器和與傳感器單元集成在相同的封裝中。

　　當(dāng)要求傳感器的輸出與磁場(chǎng)成正比時(shí)，或者當(dāng)磁場(chǎng)超過(guò)某一水平時(shí)開(kāi)關(guān)要改變狀態(tài)，此時(shí)，就可以采用霍爾效應(yīng)傳感器。模擬霍爾效應(yīng)傳感器適用于需要知道磁鐵距離傳感器究竟有多少距離的場(chǎng)合，例如，感測(cè)振蕩臂是否真的在運(yùn)動(dòng)�；魻栃�應(yīng)傳感器最適用于探測(cè)磁鐵是否逼近傳感器的應(yīng)用，例如，感測(cè)安全罩是否打開(kāi)或關(guān)閉。

　　模擬霍爾效應(yīng)傳感器的輸出端可被接口到比較器或與任何其它電壓輸出傳感器類似的ADC。有一點(diǎn)須要注意，模擬輸出傳感器提供與供應(yīng)電壓成比例的輸出量。為了得到精確的無(wú)噪聲輸出，必須采用無(wú)噪聲的，調(diào)整良好的電源為傳感器供電。在沒(méi)有磁場(chǎng)存在的情況下，典型的模擬霍爾效應(yīng)傳感器的輸出為供應(yīng)電壓和地線之間電壓的中間值。當(dāng)北磁極在傳感器的附近的時(shí)候，電壓朝地方向運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)南磁極靠近傳感器的時(shí)候，電壓則朝著正電源方向運(yùn)動(dòng)。霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生數(shù)字輸出來(lái)表明磁場(chǎng)的存在。當(dāng)磁力(運(yùn)動(dòng)點(diǎn))被感測(cè)到時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器就驅(qū)動(dòng)輸出；當(dāng)磁場(chǎng)下降至一定電平之后(釋放值)，霍爾效應(yīng)傳感器就禁止輸出。在釋放點(diǎn)低于工作點(diǎn)的范圍內(nèi)，存在著一定的磁滯范圍。

　　霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)可分為兩類---單極和多極型開(kāi)關(guān)，有時(shí)也稱為無(wú)閉鎖和閉鎖型開(kāi)關(guān)。雙極開(kāi)關(guān)有一個(gè)正極(南磁極)工作點(diǎn)和一個(gè)負(fù)極(北磁極)釋放點(diǎn)。單極開(kāi)關(guān)有一個(gè)正極(南磁極)工作點(diǎn)和一個(gè)次正極釋放點(diǎn)。在兩類情況中，實(shí)際的工作及釋放點(diǎn)隨溫度不同而不同。單極和雙極開(kāi)關(guān)通常會(huì)有一個(gè)與外置電阻器并不相聯(lián)的開(kāi)集電極輸出端。

　　霍爾效應(yīng)傳感器通采用與TO-92晶體管外殼相似的3導(dǎo)線封裝，這3根導(dǎo)線分別是電源、地和輸出。盡管一些傳感器的操作電壓達(dá)到30V或更高，但這種傳感器的供應(yīng)電壓通常是5-10V。當(dāng)使用霍爾效應(yīng)傳感器的時(shí)候，要記住解決磁場(chǎng)偏離問(wèn)題。如果采用磁體，例如旋轉(zhuǎn)軸，要保證磁鐵不過(guò)分磁化旋轉(zhuǎn)軸，否則會(huì)影響傳感器的輸出。

　　切記磁場(chǎng)是以距離的平方數(shù)衰減的。受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，模擬霍爾效應(yīng)傳感器的輸出可能同磁場(chǎng)的強(qiáng)度成線性關(guān)系，但不會(huì)同距離成線性關(guān)系。

　　鋸齒霍爾效應(yīng)傳感器包括一個(gè)磁體和在封裝內(nèi)的霍爾效應(yīng)傳感器，如圖5所示，通過(guò)將傳感器置于鋸齒附近，它們已被設(shè)計(jì)成用來(lái)測(cè)量帶齒裝置的旋轉(zhuǎn)。在每個(gè)連接齒行經(jīng)傳感器的時(shí)候，它會(huì)對(duì)磁體和霍爾效應(yīng)傳感器之間的磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，從而產(chǎn)生輸出脈沖。

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