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電子智能鎖中的位置感應

物聯(lián)網(wǎng)催生了許多具有更高易用性和安全性的智能家用電器，例如互聯(lián)恒溫器和智能鎖。一些電子智能鎖包含傳感器，可用于檢測門栓位置或防止篡改鎖外殼。使用傳感器來確定門栓的移動終點位置，有助于減小電機壓力，也有助于檢測門鎖何時通過鑰匙等其他方式被移動過。在智能鎖中使用傳感器，還可提供其他系統(tǒng)信息，例如門栓的移動方向，通過這些信息，可以確定鎖是安裝在門的左側還是右側。不論僅需要確定門栓的移動終點位置，還是需要提供中間位置信息的更高級的功能，傳感器都可以根據(jù)應用要求提供所需詳細程度的門栓位置檢測信息。

傳感器在智能鎖中的另一種用途是篡改檢測。此功能有助于防止他人接觸智能鎖的內(nèi)部元件以及非法進門。通過實施篡改檢測，可以防止外部磁場影響器件中的其他霍爾效應傳感器的性能，或者只是確定外殼在安裝后是否被打開。

本文討論傳感器的最后一種應用，即門的打開和關閉檢測。這個用例可以包含在智能鎖中，也可以作為家庭安全系統(tǒng)中的一個單獨模塊，用于確保在智能鎖嘗試移動門栓之前門完全關閉。如果門栓在門完全關閉之前移動，這可能會在電機上產(chǎn)生應力，或使門栓處于不合格狀態(tài)，例如僅部分鎖住，從而使系統(tǒng)處于危險之中。

圖 1 智能鎖位置感應方框圖

圖 1 顯示了在電子智能鎖中使用位置傳感器的一種實現(xiàn)方式。在此圖中，位置傳感器監(jiān)控齒輪箱中的變化，而不是門栓的移動。此外，還使用傳感器向主控制器提供篡改檢測信息。

不同類型的霍爾效應傳感器

TI 提供三種不同類型的霍爾效應傳感器：線性、鎖存和開關傳感器。線性傳感器可以檢測不斷變化的磁場并報告強度，適用于滑動位移、角度計算和接近感應等應用。線性傳感器可能對不同方向的磁場敏感，具體取決于器件所處的方向或器件對多少個維度敏感。可以使用用于二維 (2D) 或三維 (3D) 感應的器件來進行角度測量，從而確定磁體的旋轉(zhuǎn)方向。由于實施旋轉(zhuǎn)感應只需要兩個維度，所以 3D 器件可以使用兩個軸來確定角度數(shù)據(jù)，而第三個軸可用于實施篡改檢測。

圖 2 滑動磁體示例

圖 3 旋轉(zhuǎn)磁體示例

鎖存?zhèn)鞲衅骱烷_關傳感器器件可以提供磁場強度超出閾值時的數(shù)字輸出。這對于事件計數(shù)、非接觸式開關和篡改檢測等應用非常有用。

圖 4 全極霍爾效應開關傳感器功能

圖 5 霍爾效應鎖存?zhèn)鞲衅鞴δ?/span>

霍爾效應傳感器的優(yōu)勢

霍爾效應傳感器并非是用于實現(xiàn)磁性開關的唯一選擇。在需要簡單的接通和關斷或打開和關閉接近檢測的應用中，簧片開關是另一種常用的元件。但使用簧片開關的一個主要缺點是，器件的機械性質(zhì)決定了其使用壽命有限。霍爾效應傳感器不像簧片開關那樣具有機械觸點，并且提供不受機械磨損影響的更可靠的設計。有關由霍爾效應傳感器替代簧片開關的更多信息，請參閱用 TI 的霍爾效應和線性 3D 霍爾效應傳感器替代簧片開關 應用手冊。

在智能鎖中使用線性霍爾效應傳感器

線性霍爾效應傳感器在智能鎖中的兩種常見應用是：跟蹤門栓的移動和跟蹤鑰匙或電機的旋轉(zhuǎn)。門栓位置跟蹤可以通過使用單軸 (1D) 線性霍爾效應傳感器生成滑動位移來實現(xiàn)。有關滑動位移實現(xiàn)方案的更多信息，請參閱 使用線性霍爾效應傳感器跟蹤滑動位移 應用簡報。

圖 6 線性滑動磁體的磁場

鑰匙或電機旋轉(zhuǎn)跟蹤可以通過使用沿電機旋轉(zhuǎn)的簡單圓柱形磁體和線性霍爾效應傳感器來實現(xiàn)。當磁體旋轉(zhuǎn)時，兩個軸上的磁場分量會按正弦曲線變化。檢測這些正弦變化需要霍爾效應傳感器至少具有 2D 靈敏度，以便可以使用變化的磁場來確定磁體角度。因此，可以使用兩個 1D 線性霍爾效應傳感器或單個 3D 線性霍爾效應傳感器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤。此外，某些線性 3D 霍爾效應傳感器（例如 TMAG5273 和 TMAG5170）具有內(nèi)置 CORDIC 引擎，可以計算角度并通過寄存器報告角度，從而釋放 MCU 的處理能力。這些器件還提供喚醒和睡眠模式，有助于實現(xiàn)低功耗。

圖 7 同軸磁場分量

智能鎖中的開關和鎖存霍爾效應傳感器

開關霍爾效應傳感器和鎖存霍爾效應傳感器的使用方式類似。可以使用這些器件來感應移動終點位置，從而確定門栓何時完全鎖住或完全解鎖。使用多個開關傳感器或鎖存?zhèn)鞲衅骺商峁┯嘘P門栓中間狀態(tài)的更精確信息。但是，使用多個傳感器會提高總功耗，因此必須考慮對電池供電的系統(tǒng)使用低功耗霍爾效應傳感器，例如 DRV5032 FB 版本。

如果需要一個平面霍爾效應開關來檢測與封裝標記表面平行的磁場，則可以考慮使用 TMAG5233、TMAG5133 或 TMAG5134。與大多數(shù)傳統(tǒng)的霍爾效應開關不同，平面?zhèn)鞲衅鲿y量與封裝平行的磁場（垂直傳感器），而不是通過器件封裝的 Z 軸的磁場（水平傳感器）。

開關傳感器和鎖存?zhèn)鞲衅饕部捎糜谥悄苕i的打開和關閉檢測或篡改檢測。雖然具有多個靈敏度方向?qū)Υ藨糜幸妫@也可以通過簡單的低功耗開關或閂鎖來實現(xiàn)。篡改檢測可以得到進一步改善，并為外部磁體提供雜散場抗擾度。此功能可用于防止外部磁體誘使打開和關閉傳感器認為門或鎖殼處于關閉狀態(tài)，而實際上磁體處于打開狀態(tài)或正在被篡改。有關這些功能的更多信息，請參閱使用霍爾效應傳感器針對篡改和移動終點位置檢測實現(xiàn)限制檢測 應用簡報。

結語

霍爾效應傳感器可以為電子智能鎖中的位置感應和篡改檢測提供一種可靠的多功能感應設計。針對不同應用設計需求，可搭配使用多種器件類型和封裝選項以及不同磁體和傳感器放置方式，來增加設計靈活性。此外，低功耗選項為電池供電應用提供了額外優(yōu)勢。最后，與其他實現(xiàn)方案相比，霍爾效應傳感器本身具有非接觸性，不受磨損影響，從而可以提供更可靠的設計。