Progetto di un dispositivo di controllo di un accesso di sicurezza con RFID e Arduino – Parte 3

Nel precedente articolo “Progetto di un dispositivo di controllo di un accesso di sicurezza con RFID e Arduino - Parte 2” abbiamo introdotto il progetto e descritto il suo funzionamento attraverso l’analisi dello schema elettrico. Poi siamo partiti dal sistema RFID, ossia dal modulo lettore/scrittore RFID-RC522 e dalla scheda tag RFID, per iniziare a descrivere i componenti principali del progetto. In questo articolo faremo il riepilogo del progetto completo e la descrizione del sensore magnetico ad effetto Hall.

Riepilogo del progetto

Come di consueto, per chi non avesse potuto seguire i precedenti articoli, riteniamo utile riportare una sintetica descrizione del progetto estratta dal precedente articolo “Progetto di un dispositivo di controllo di un accesso di sicurezza con RFID e Arduino - Parte 2”. Il dispositivo di controllo accessi con RFID di questo progetto è costituito da un lettore RFID e scheda tag RFID, un sensore magnetico ad effetto Hall, un magnete, un relè, una elettro-serratura, un alimentatore e il microcontrollore Arduino UNO. In Figura 1 è riportato lo schema elettrico del dispositivo.

Figura 1: Schema elettrico del dispositivo di controllo accessi RFID

Nella condizione iniziale, la serratura della porta è bloccata e la porta di accesso è chiusa in sicurezza. Il lettore RFID1, dopo la scansione della scheda tag, trasmette i dati della lettura al microcontrollore Arduino U1 mediante la comunicazione seriale SPI. Se l’utente è autorizzato ad accedere all’area riservata, il sistema RFID riconosce e autentica l’utente. Di conseguenza, Arduino, tramite l’uscita digitale D2 di livello alto, attiva il relè RL1 che chiude il contatto COM-NO. La chiusura del contatto COM-NO consente la chiusura del circuito dell’alimentazione fornita dal Power Supply a 12 V PS1, attivando così lo sblocco della serratura SER1. Diversamente, se l’utente non è autorizzato, il sistema RFID non lo riconoscerà, il relè riceverà dal microcontrollore un livello basso e aprirà il contatto COM-NO interrompendo l’alimentazione della serratura. La serratura, non più alimentata, tornerà nella condizione iniziale di blocco e la porta sarà chiusa in sicurezza. Durante queste fasi, riveste un ruolo importante il sensore magnetico ad effetto Hall HM1. Il sensore HM1 e un magnete, installati rispettivamente nel telaio della porta e sulla porta stessa, vengono utilizzati per rilevare la posizione della porta e dare il consenso di blocco/sblocco della serratura.

I sensori magnetici ad effetto Hall

Prima di andare a trattare specificamente il sensore magnetico ad effetto Hall che viene utilizzato nel nostro progetto, faremo una panoramica propedeutica sui sensori magnetici ad effetto Hall. Un sensore magnetico ad effetto Hall, o sensore Hall, rileva i campi magnetici con elevata precisione consentendo di monitorare con elevata affidabilità la posizione e il movimento degli oggetti in un sistema. Un sensore ad effetto Hall non è il tipico circuito integrato in quanto, a differenza della maggior parte dei circuiti integrati, interagisce indirettamente con il magnete al suo interno. Il sensore Hall elementare comprende un elemento Hall che trasforma un campo magnetico in una tensione, e circuiti di elaborazione come l’amplificatore operazionale. Sia i circuiti di elaborazione analogici che quelli digitali, sono fondamentali per il funzionamento di un sensore Hall perché la tensione di uscita da un elemento Hall è molto piccola, a volte nel range dei microvolt. Uno dei sensori ad effetto Hall più semplici utilizza solo package a tre pin: pin di alimentazione, pin GND e pin di uscita (come i transistor a profilo ridotto SOT-23 o TO-92).

Principio di funzionamento del sensore ad effetto Hall

Il funzionamento del sensore ad effetto Hall è molto semplice. Una corrente viene forzata a fluire attraverso una piastra di materiale conduttore (l’elemento di Hall). Quando alla piastra viene applicato un campo magnetico in una direzione ortogonale ad essa, la forza di Lorentz devia gli elettroni della corrente elettrica verso un lato della piastra, producendo così una tensione, ovvero una differenza di potenziale ai suoi estremi. In Figura 2 viene illustrato il principio di funzionamento dell’effetto Hall.

Figura 2: Principio di funzionamento dell’effetto Hall

Nota: si consideri che il verso della corrente e della tensione è convenzionale.

La direzione del campo magnetico rispetto all'elemento Hall è un aspetto fondamentale del funzionamento del sensore ad effetto Hall che si deve considerare nella progettazione. La maggior parte delle schede tecniche dei sensori ad effetto Hall specificano la direzione prevista del campo magnetico rispetto alla superficie sensibile del package. La comprensione fondamentale di come funzionano i sensori ad effetto Hall è necessaria per sapere come usarli in modo efficace con la posizione corretta rispetto ad un magnete. Ma occorre anche sapere come si comportano i campi magnetici prodotti da un magnete con la distanza.

Tipologie di sensori magnetici ad effetto Hall

Attualmente ci sono tre tipi di sensori ad effetto Hall. Uno Switch ad effetto Hall è un dispositivo con uscita digitale che commuta gli stati logici in base al campo magnetico che rileva. Quando il magnete si avvicina al sensore, il campo magnetico rilevato è più intenso e il sensore Hall passa ad uno stato attivo chiamato BOP. Quando il campo magnetico si indebolisce a causa dell’allontanamento del sensore dal magnete, il dispositivo torna al suo stato inattivo chiamato BRP. Un Latch ad effetto Hall è quasi identico nel funzionamento allo switch ad effetto Hall, tranne per il fatto che richiede un cambio di polarità del campo magnetico per cambiare lo stato del livello di uscita. Un sensore Lineare ad effetto Hall, è un dispositivo analogico che varia la sua tensione di uscita proporzionalmente all’intensità del campo magnetico che sta rilevando con una sensibilità che si esprime in genere in mV/Gauss. In assenza di campo magnetico, il dispositivo produrrà una tensione di uscita pari alla metà della tensione di alimentazione. Quando il campo magnetico si rafforza, la tensione di uscita inizierà a decrescere verso massa (nord magnetico) o ad aumentare verso la tensione di alimentazione (sud magnetico) fino a raggiungere un punto di saturazione e la tensione di uscita non varierà più. Gli switch e i dispositivi lineari ad effetto Hall unipolari possono rilevare solo i campi nord o sud, mentre gli switch omnipolari e i lineari bipolari rilevano sia i campi nord che i campi sud. I punti magnetici di stato attivo e inattivo negli switch e nei latch ad effetto Hall definiscono il valore di isteresi della tensione di uscita del sensore (Visteresi = Vatt - Vinatt). Si può sfruttare l'isteresi nel sistema per evitare l’instabilità degli stati di uscita del sensore.

Applicazioni dei sensori ad effetto Hall

Gli switch ad effetto Hall sono di uso comune nei computer, negli sportelli degli elettrodomestici e negli switch di fine linea per rilevare un magnete che si avvicina al sensore. I sensori Latch sono diffusi nelle applicazioni di codifica rotativa e di commutazione del motore, dove l'aspetto rotazionale dell'applicazione è fondamentale per il monitoraggio continuo della posizione dell'albero rotante, per il monitoraggio della posizione delle porte nei sistemi di controllo accessi, ed altro ancora. I sensori lineari possono misurare con precisione lo spostamento di un oggetto, quindi sono adatti negli attuatori lineari, trigger a velocità variabile e pedali di accelerazione. I sensori ad effetto Hall forniscono un modo conveniente anche per monitorare gli oggetti in movimento. A seconda dell'applicazione, è possibile utilizzare un sensore switch, latch o lineare. In generale, i sensori ad effetto Hall sono dispositivi sensibili, per cui le prestazioni potrebbero essere influenzate in una certa misura da interferenze esterne magnetiche, ottiche, termiche e meccaniche.

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