树莓派基础实验16：霍尔传感器实验

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。

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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)

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  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()

  

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