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電子智能鎖中的位置感應(yīng)

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(dòng)終點(diǎn)位置，有助于減小電機(jī)壓力，也有助于檢測門鎖何時(shí)通過鑰匙等其他方式被移動(dòng)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(dòng)方向，通過這些信息，可以確定鎖是安裝在門的左側(cè)還是右側(cè)。不論僅需要確定門栓的移動(dòng)終點(diǎn)位置，還是需要提供中間位置信息的更高級(jí)的功能，傳感器都可以根據(jù)應(yīng)用要求提供所需詳細(xì)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(jìn)門。通過實(shí)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(yīng)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(yīng)用，即門的打開和關(guān)閉檢測。這個(gè)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(gè)單獨(dú)模塊，用于確保在智能鎖嘗試移動(dòng)門栓之前門完全關(guān)閉。如果門栓在門完全關(guān)閉之前移動(dòng)，這可能會(huì)在電機(jī)上產(chǎn)生應(yīng)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(xiǎn)之中。

圖 1 智能鎖位置感應(yīng)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(shí)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(dòng)。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(yīng)傳感器

TI 提供三種不同類型的霍爾效應(yīng)傳感器：線性、鎖存和開關(guān)傳感器。線性傳感器可以檢測不斷變化的磁場并報(bào)告強(qiáng)度，適用于滑動(dòng)位移、角度計(jì)算和接近感應(yīng)等應(yīng)用。線性傳感器可能對(duì)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(duì)多少個(gè)維度敏感?？梢允褂糜糜诙S (2D) 或三維 (3D) 感應(yīng)的器件來進(jìn)行角度測量，從而確定磁體的旋轉(zhuǎn)方向。由于實(shí)施旋轉(zhuǎn)感應(yīng)只需要兩個(gè)維度，所以 3D 器件可以使用兩個(gè)軸來確定角度數(shù)據(jù)，而第三個(gè)軸可用于實(shí)施篡改檢測。

圖 2 滑動(dòng)磁體示例

圖 3 旋轉(zhuǎn)磁體示例

鎖存?zhèn)鞲衅骱烷_關(guān)傳感器器件可以提供磁場強(qiáng)度超出閾值時(shí)的數(shù)字輸出。這對(duì)于事件計(jì)數(shù)、非接觸式開關(guān)和篡改檢測等應(yīng)用非常有用。

圖 4 全極霍爾效應(yīng)開關(guān)傳感器功能

圖 5 霍爾效應(yīng)鎖存?zhèn)鞲衅鞴δ?/span>

霍爾效應(yīng)傳感器的優(yōu)勢

霍爾效應(yīng)傳感器并非是用于實(shí)現(xiàn)磁性開關(guān)的唯一選擇。在需要簡單的接通和關(guān)斷或打開和關(guān)閉接近檢測的應(yīng)用中，簧片開關(guān)是另一種常用的元件。但使用簧片開關(guān)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，器件的機(jī)械性質(zhì)決定了其使用壽命有限?；魻栃?yīng)傳感器不像簧片開關(guān)那樣具有機(jī)械觸點(diǎn)，并且提供不受機(jī)械磨損影響的更可靠的設(shè)計(jì)。有關(guān)由霍爾效應(yīng)傳感器替代簧片開關(guān)的更多信息，請(qǐng)參閱用 TI 的霍爾效應(yīng)和線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器替代簧片開關(guān) 應(yīng)用手冊(cè)。

在智能鎖中使用線性霍爾效應(yīng)傳感器

線性霍爾效應(yīng)傳感器在智能鎖中的兩種常見應(yīng)用是：跟蹤門栓的移動(dòng)和跟蹤鑰匙或電機(jī)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(yīng)傳感器生成滑動(dòng)位移來實(shí)現(xiàn)。有關(guān)滑動(dòng)位移實(shí)現(xiàn)方案的更多信息，請(qǐng)參閱 使用線性霍爾效應(yīng)傳感器跟蹤滑動(dòng)位移 應(yīng)用簡報(bào)。

圖 6 線性滑動(dòng)磁體的磁場

鑰匙或電機(jī)旋轉(zhuǎn)跟蹤可以通過使用沿電機(jī)旋轉(zhuǎn)的簡單圓柱形磁體和線性霍爾效應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)軸上的磁場分量會(huì)按正弦曲線變化。檢測這些正弦變化需要霍爾效應(yīng)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(gè) 1D 線性霍爾效應(yīng)傳感器或單個(gè) 3D 線性霍爾效應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤。此外，某些線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器（例如 TMAG5273 和 TMAG5170）具有內(nèi)置 CORDIC 引擎，可以計(jì)算角度并通過寄存器報(bào)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(shí)現(xiàn)低功耗。

圖 7 同軸磁場分量

智能鎖中的開關(guān)和鎖存霍爾效應(yīng)傳感器

開關(guān)霍爾效應(yīng)傳感器和鎖存霍爾效應(yīng)傳感器的使用方式類似?？梢允褂眠@些器件來感應(yīng)移動(dòng)終點(diǎn)位置，從而確定門栓何時(shí)完全鎖住或完全解鎖。使用多個(gè)開關(guān)傳感器或鎖存?zhèn)鞲衅骺商峁┯嘘P(guān)門栓中間狀態(tài)的更精確信息。但是，使用多個(gè)傳感器會(huì)提高總功耗，因此必須考慮對(duì)電池供電的系統(tǒng)使用低功耗霍爾效應(yīng)傳感器，例如 DRV5032 FB 版本。

如果需要一個(gè)平面霍爾效應(yīng)開關(guān)來檢測與封裝標(biāo)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(yīng)開關(guān)不同，平面?zhèn)鞲衅鲿?huì)測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(guān)傳感器和鎖存?zhèn)鞲衅饕部捎糜谥悄苕i的打開和關(guān)閉檢測或篡改檢測。雖然具有多個(gè)靈敏度方向?qū)Υ藨?yīng)用有益，但這也可以通過簡單的低功耗開關(guān)或閂鎖來實(shí)現(xiàn)。篡改檢測可以得到進(jìn)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(guān)閉傳感器認(rèn)為門或鎖殼處于關(guān)閉狀態(tài)，而實(shí)際上磁體處于打開狀態(tài)或正在被篡改。有關(guān)這些功能的更多信息，請(qǐng)參閱使用霍爾效應(yīng)傳感器針對(duì)篡改和移動(dòng)終點(diǎn)位置檢測實(shí)現(xiàn)限制檢測 應(yīng)用簡報(bào)。

結(jié)語

霍爾效應(yīng)傳感器可以為電子智能鎖中的位置感應(yīng)和篡改檢測提供一種可靠的多功能感應(yīng)設(shè)計(jì)。針對(duì)不同應(yīng)用設(shè)計(jì)需求，可搭配使用多種器件類型和封裝選項(xiàng)以及不同磁體和傳感器放置方式，來增加設(shè)計(jì)靈活性。此外，低功耗選項(xiàng)為電池供電應(yīng)用提供了額外優(yōu)勢。最后，與其他實(shí)現(xiàn)方案相比，霍爾效應(yīng)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(shè)計(jì)。