基礎教程12 霍爾感測器與Arduino外部中斷

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我是潘，曾經是個工程師。這是為 http://Ardui.Co 製作的 「Arduino 公開課」 系列的入門教程。第5.1課介紹了溫控風扇，這次我們要通過中斷函數並使用霍爾感測器測量風扇速轉。有任何疑問請在評論區提出，我會逐一回答。

霍爾感測器是一種磁感應元件，只要有磁場（磁鐵、金屬物體、電感）接近，就會產生相應的電平信號。霍爾感測器應用很廣，電機/車輪測速、電流測量、運動與接近檢測等。汽車、航天、工業製造等領域都是不可或缺的元件。

常見的霍爾感測器模塊分為兩種，一種是線性模塊，根據磁感應強度輸出相應的模擬量（電壓），另一種是開關型模塊，磁感應達到一定強度，輸出一個脈衝信號。另外，線性模塊也可以採用數字通信，只不過中間加入了 ADC 模塊，主要用在需要高精度、高穩定性的測量場合。

這是最常見的霍爾感測器模塊，採用A3144E霍爾感測器原件，同時提供了模擬和數字信號輸出。測速原理是，在轉盤上設置磁感應點，每次磁場穿過感測器時，輸出一個脈衝信號：

感測器的接線很簡單，除了兩根電源線，將 Vin 接入 Arduino 的 D3（3號數字埠）即可，如果出現傳輸信號不穩定的情況，可以接一隻 5K 上拉電阻。

在風扇轉盤的邊緣貼上1顆小磁鐵，然後將感測器固定在上方，記錄每秒圈數乘以60，即可換算出 rpm （每分鐘轉速）。

速度是距離/次數與時間的比值，因此程序要設計兩個變數，一個計時，另一個計數。

計時用到 millis()，該函數的作用是記錄系統累計運行時間，返回毫秒（值類型為 unsigned long），最長紀錄為50天，超時後返回0秒。如果要更精確，可以用micro()返回微秒。

millis() 返回的是累計時間，但我們要測量輸出的是每一秒內的旋轉次數，怎麼處理呢？其實，只要設置一個臨時變數，標記下一秒的時間點，當 millis() 到達這個時間點後，輸出 milli() 至 millis() + 1000ms 之間的觸發次數即可。

同時，我們採用外部中斷函數計數。當感測器被磁鐵觸發，程序中斷，執行計數函數，記錄一次。

/* 作者：Ardui.Co 效果：霍爾感測器測速 版本：1.0 更新時間：2017年2月14日*/const byte interruptPin = 3;const long taketime = 1000; // 每次測量的時間unsigned long time; //設置變數 time，計時float Val = 0; //設置變數 Val，計數void setup() { Serial.begin(9600); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), count, FALLING);//觸發信號必須是變化的，上升或下降皆可 time = millis();//開始計時，time獲得當前系統時間} void loop() { if (millis() >= time) { Serial.println(Val*60);//轉換成rpm，單磁鐵觸發解析度為60rpm，2個磁鐵為30rpm time = millis() + taketime;//標記未來的時間點，1000ms後執行if判斷，輸出結果。另，降低刷新頻率，可以提高解析度 Val = 0;//輸出速度結果後清零，記錄下一秒的觸發次數 }} void count() { Val += 1;}

使用 digitalPinToInterrupt(interruptPin) 原因是提高程序的兼容性，只要修改interruptPin 即可在不同 Arduino 版本上映射對應的中斷埠號。

特別注意的是，觸發外部中斷函數的模式，必須是 RISING 或者 FALLING。如果是CHANGE，感測器每一次觸發都會產生「高 – 低」、「高 – 低」兩個信號，也就是說函數會被觸發兩次；如果是LOW，磁鐵穿過感測器的過程中，外部中斷函數會被連續觸發，這個時間內 count() 會多次計數；

上面程序使用未來的時間點 millis() + 1000ms 來控制中斷，但還有一種演算法，就是當前時間去比較過去的時間，將時間範圍控制在1000ms以內。

/* 作者：Ardui.Co 效果：霍爾感測器測試方法2 版本：1.0 更新時間：2017年2月19日*/const byte interruptPin = 3;const long taketime = 1000; // 每次測量的時間unsigned long time; //設置變數time，計時float Val = 0; //設置變數Val，計數void setup( ) { Serial.begin(9600); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), count, FALLING);//觸發信號必須是變化的，上升或下降皆可 time = millis( ); //開始計時，time獲得當前系統時間}void loop( ) { if (millis( ) - taketime < time) return;//當前時間減測量時間，獲得1000ms前的時間點，時間未到則跳出 Serial.println(Val * 60); time = millis( );//輸出結果後，獲取當前時間 Val = 0;}void count() { Val += 1;}

兩個程序效果是完全一樣的，但從理解上，一個是用未來時間點來規定測量時間，一個是用過去時間點。

https://www.zhihu.com/video/1000111692763779072

大部分 PC 散熱風扇內置了霍爾感測器，我們用示波器測量第3個引腳：

每 10~12 ms 出現一個波谷，轉速約為 900~1000rpm，與剛才測量的結果有一些出入。（請思考為什麼？答案會在評論區介紹）

降低刷新速度或者增加觸發點，都能提高測量的解析度。比如，對於轉速特別低的設備，每秒不到1圈，我們將刷新率降到5秒，解析度就能提高至 60rpm / 5 = 12rpm。也可以增加 n 個磁感應點，每次觸發低電平信號，則記錄 1/n 圈，解析度也相應提高到1/n 。

現在，我們通過外部感測器產生中斷請求，然後來計數。那麼，是否可以由內部計時，定時來觸發中斷？答案是肯定的，上面兩個程序就使用了內部中斷的一種——程序定時器，它們以 millis() 計時，然後在規定的時間點上輸出結果。

但是，millis() 計時是十分不精準的，因為，雖然程序中斷也是內部中斷的一種，但是在各種中斷的優先順序別中，跟普通程序沒有任何區別，外部中斷會打斷 millis() 的計時。儘管外部中斷的時間非常短，但其執行時間不會被記入millis()。

後面將深入介紹 Arduino 的內部中斷和硬體定時器的使用。