树莓派基础实验16:霍尔传感器实验

时间:2022-07-25
本文章向大家介绍树莓派基础实验16:霍尔传感器实验,主要内容包括其使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项,具有一定的参考价值,需要的朋友可以参考一下。

一、介绍

   霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。


二、组件

★Raspberry Pi主板*1

★树莓派电源*1

★40P软排线*1

★PCF8591模数转换器模块*1

★霍尔传感器模块*1

★双色LED灯模块*1

★双色LED模块*1

★面包板*1

★跳线若干

三、实验原理

霍尔传感器

霍尔传感器模块原理图

  磁场中有一个霍尔半导体片,恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下,I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移,使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。

1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线的叶片

  霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低,霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用,需要用机械的方法来改变磁感应强度。上图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关,当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时,磁场偏离集成片,霍尔电压消失。这样,霍尔集成电路的输出电压的变化,就能表示出叶轮驱动轴的某一位置,利用这一工作原理,可将霍尔集成电路片用作点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器,它要有外加电源才能工作,这一特点使它能检测转速低的运转情况。

  本实验中霍尔传感器有两个输出:模拟输出(AO),数字输出(DO)。当传感器检测到有磁场时,模拟输出低电平,否则输出高电平。有磁场时数字输出信号读值ADC.read(0)==0,没有有磁场时数字输出信号读值ADC.read(0)==255,存在少量误差。

  该模块可以检测出所用磁铁南北极,本实验不讨论。

四、实验步骤

第1步:连接电路。

树莓派

T型转接板

PCF8591模块

SDA

SDA

SDA

SCL

SCL

SCL

5V

5V

VCC

GND

GND

GND

霍尔传感器模块

T型转接板

PCF8591模块

AO

*

AIN0

DO

G17

*

VCC

5V

VCC

GND

GND

GND

双色LED模块

T型转接板

R

G18

G

G27

GND

GND

霍尔传感器实验电路图

霍尔传感器实验实物接线图

第2步:PCF8591模块采用的是I2C(IIC)总线进行通信的,但是在树莓派的镜像中默认是关闭的,在使用该传感器的时候,我们必须首先允许IIC总线通信。

打开I2C总线通信

第3步:开始编程。这里先编写一个PCF8591.py库文件,后面再编写一个python程序引入这个库文件。   PCF8591.py库文件就是PCF8591模块的程序,单独编写是为了便于重用。在这个脚本中,我们使用了一个放大器用于模拟输入和一个LED灯用于模拟输出,模拟输入不能超过3.3V!   该程序也可以单独运行,用于测试3个电阻模块的功能。需用短路帽连接AIN0和INPUT0(电位计模块),连接AIN1和INPUT1(光敏电阻模块),以及连接AIN2和INPUT2(热敏电阻模块)。   连接LED灯,AIN0(模拟输入0)端口用于接收来自电位计模块的模拟信号,AOUT(模拟输出)用于将模拟信号输出到双色LED模块,以便改变LED的亮度。   PCF8591的详细内容请查看树莓派基础实验12:PCF8591模数转换器实验

#!/usr/bin/env python
#------------------------------------------------------
#
#       您可以使用下面语句将此脚本导入另一个脚本:
#           “import PCF8591 as ADC”                
#   
#   ADC.Setup(Address)  # 查询PCF8591的地址:“sudo i2cdetect -y 1”
# i2cdetect  is  a  userspace  program to scan an I2C bus for devices.
# It outputs a table with the list of detected devices on the specified bus.
#   ADC.read(channal)   # Channal范围从0到3 
#   ADC.write(Value)    # Value范围从0到255
#
#------------------------------------------------------
#SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 
import smbus   #在程序中导入“smbus”模块
import time

# for RPI version 1, use "bus = smbus.SMBus(1)"
# 0 代表 /dev/i2c-0, 1 代表 /dev/i2c-1 ,具体看使用的树莓派那个I2C来决定
bus = smbus.SMBus(1)         #创建一个smbus实例

#在树莓派上查询PCF8591的地址:“sudo i2cdetect -y 1”
def setup(Addr):
    global address
    address = Addr

def read(chn): #channel
    if chn == 0:
        bus.write_byte(address,0x40)   #发送一个控制字节到设备
    if chn == 1:
        bus.write_byte(address,0x41)
    if chn == 2:
        bus.write_byte(address,0x42)
    if chn == 3:
        bus.write_byte(address,0x43)
    bus.read_byte(address)         # 从设备读取单个字节,而不指定设备寄存器。
    return bus.read_byte(address)  #返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

def write(val):
    temp = val  # 将字符串值移动到temp
    temp = int(temp) # 将字符串改为整数类型
    # print temp to see on terminal else comment out
    bus.write_byte_data(address, 0x40, temp) 
    #写入字节数据,将数字值转化成模拟值从AOUT输出

if __name__ == "__main__":
    setup(0x48) 
 #在树莓派终端上使用命令“sudo i2cdetect -y 1”,查询出PCF8591的地址为0x48
    while True:
        print '电位计   AIN0 = ', read(0)   #电位计模拟信号转化的数字值
        print '光敏电阻 AIN1 = ', read(1)   #光敏电阻模拟信号转化的数字
        print '热敏电阻 AIN2 = ', read(2)   #热敏电阻模拟信号转化的数字值
        tmp = read(0)
        tmp = tmp*(255-125)/255+125 
# 125以下LED不会亮,所以将“0-255”转换为“125-255”,调节亮度时灯不会熄灭
        write(tmp)
        time.sleep(2)

   第4步:编写控制程序。检测到磁场时,亮红灯;没有检测到磁场时,亮绿灯。模拟信号输出表示检测到磁场时,打印检测到磁场的信息“Detected magnetic materials”。同时数字信号输出表示检测到磁场时,打印“Detected Magnet”。

#/usr/bin/env python
import RPi.GPIO as GPIO
import PCF8591 as ADC
import time

HallPin = 11
Gpin   = 13
Rpin   = 12

def setup():
    ADC.setup(0x48)
    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)       # Numbers GPIOs by physical location
    GPIO.setup(Gpin, GPIO.OUT)     # Set Green Led Pin mode to output
    GPIO.setup(Rpin, GPIO.OUT)     # Set Red Led Pin mode to output
    GPIO.setup(HallPin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)    # Set BtnPin's mode is input, and pull up to high level(3.3V)
    GPIO.add_event_detect(HallPin, GPIO.BOTH, callback=detect, bouncetime=200)
#    检测到磁场时,数字输出低电平,即GPIO.input(HallPin)==0 
#没有检测到磁场时,数字输出高电平,即GPIO.input(HallPin)==1

def Led(x):
    if x == 0:    #检测到磁场时,亮红灯
        GPIO.output(Rpin, 1)
        GPIO.output(Gpin, 0)
    if x == 1:    #没有检测到磁场时,亮绿灯
        GPIO.output(Rpin, 0)
        GPIO.output(Gpin, 1)

def Print1(x):
    if x == 0:    #检测到磁场时,数字输出低电平,x==0
        print '    ***********************************'
        print '    *   Detected magnetic materials   *'
        print '    ***********************************'

def detect(chn):  
    Led(GPIO.input(HallPin))
    Print1(GPIO.input(HallPin))


def Print2(x):
    if x == 1:
        print ''
        print '*************'
        print '* No Magnet *'
        print '*************'
        print ''
    if x == 0:
        print ''
        print '*************'
        print '* Detected Magnet *'
        print '*************'
        print ''


def loop():
    status = 0
    while True:
        res = ADC.read(0)      #模拟输出信号A/D转换后的数字信号值
        print 'Current intensity of magnetic field : ', res
        if res  < 10:  #这里的数字输出ADC.read(0)只有两个值,0或255
            tmp = 0    #ADC.read(0)为255时没有检测到磁场
                       #ADC.read(0)为 0 时检测到磁场,但有少量误差的其它值,比如1或254等值偶尔出现
        if res > 200:  
            tmp = 1
        if tmp != status:
            Print2(tmp)
            status = tmp
        time.sleep(0.5)

def destroy():
    GPIO.output(Gpin, GPIO.LOW)       # Green led off
    GPIO.output(Rpin, GPIO.LOW)       # Red led off
    GPIO.cleanup()                     # Release resource

if __name__ == '__main__':
    setup()
    try:
        loop()
    except KeyboardInterrupt:  # When 'Ctrl+C' is pressed, the child program destroy() will be  executed.
        destroy()