基于霍爾元件的大電流測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

金雪塵，黃亮，張杰

(常州工學(xué)院理學(xué)院，江蘇常州213002)

基于霍爾元件的大電流測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

金雪塵，黃亮，張杰

(常州工學(xué)院理學(xué)院，江蘇常州213002)

利用霍爾元件設(shè)計(jì)一種能測(cè)量交、直流大電流的儀器，其基本測(cè)量原理是：通過測(cè)量被測(cè)電流的磁場(chǎng)大小來顯示被測(cè)電流的大小，磁場(chǎng)大小通過霍爾傳感器轉(zhuǎn)換成霍爾電壓，再經(jīng)過單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示。電流測(cè)量范圍為0.1～500 A，測(cè)量精度達(dá)3位有效數(shù)字。

霍爾元件；電流；磁場(chǎng)；單片機(jī)

TH702

A

1 問題的提出

以往測(cè)量電流的儀器有指針式電流表、數(shù)字式電流表和鉗形表等多種，指針式電流表和數(shù)字式電流表能測(cè)量交、直流電流，測(cè)量范圍從微安級(jí)到十幾安培，但無法測(cè)量大電流物體，而鉗形表雖然最大可以測(cè)量幾百安培的交流電流，但它不能測(cè)量直流電流。為此本文介紹一款利用霍爾元件及其他電路設(shè)計(jì)制作的可以測(cè)量交、直流電流的儀器，其電流測(cè)量范圍為0.1～500 A，測(cè)量誤差不大于1%，若改變霍爾傳感器型號(hào)，測(cè)量范圍還可進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 設(shè)計(jì)的基本思路

本儀器通過測(cè)量被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來確定被測(cè)電流的大小，被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是通過測(cè)量該處霍爾元件上的霍爾電壓得到，由于霍爾電壓通常較小(毫伏級(jí))，為了提高測(cè)量精度和效率，霍爾電壓經(jīng)過霍爾傳感器自帶的放大器放大后輸出到單片機(jī)A/D端口，經(jīng)單片機(jī)采樣處理后，通過液晶屏顯示被測(cè)電流。[1-2]

大電流測(cè)定儀由測(cè)量霍爾電壓的霍爾元件、接收并處理數(shù)據(jù)的STC12C5A60S2的單片機(jī)以及外圍顯示控制模塊等組成。設(shè)計(jì)原理如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1霍爾元件部分

本儀器是通過霍爾元件測(cè)量被測(cè)電流的磁場(chǎng)來顯示被測(cè)電流大小。被測(cè)電流大小轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)大小，磁場(chǎng)大小轉(zhuǎn)換為霍爾電壓大小的原理如圖2?；魻杺鞲衅魍庑稳鐖D3。圖2中，被測(cè)電流可繞行在磁鋼上，繞行匝數(shù)根據(jù)被測(cè)電流大小確定，電流小，繞行匝數(shù)可以適當(dāng)增加；電流大，繞行匝數(shù)可以適當(dāng)減少，繞行匝數(shù)最少時(shí)可讓電流直接在磁鋼中間穿過，此方法與鉗形表測(cè)量電流的方法相當(dāng)。

圖2 霍爾傳感器原理圖

磁鋼下部鑲嵌一個(gè)霍爾元件，圖2中，若磁場(chǎng)方向是左右方向，霍爾片前后面通IS電流，則在霍爾元件的上下方向可測(cè)得霍爾電壓UH。

需要說明的是：此霍爾傳感器自帶放大器，使原來霍爾元件的輸出電壓由毫伏級(jí)最大可增加到5 V左右，這樣的電壓可直接輸?shù)絾纹瑱C(jī)的A/D口。[3]

圖3 霍爾傳感器外形圖

3.1.1 霍爾傳感器性能測(cè)試

為了研究霍爾元件的被測(cè)電流和相應(yīng)輸出的霍爾電壓之間是否有良好的線性關(guān)系，在下列條件下對(duì)被測(cè)線圈的輸入電流和霍爾傳感器的輸出電壓進(jìn)行一系列測(cè)量，在正式測(cè)量數(shù)據(jù)前可對(duì)此霍爾傳感器的電壓放大倍數(shù)進(jìn)行一定的校正和定標(biāo)。

為了在實(shí)驗(yàn)室的普通工作電流條件下能夠顯示測(cè)量大電流的情況，本測(cè)試在磁鋼上繞250匝線圈，這樣當(dāng)輸入電流為1 A時(shí)，相當(dāng)于250 A電流直接在磁鋼中間穿過時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)；當(dāng)最大輸入電流為2 A時(shí)，相當(dāng)于500 A電流直接在磁鋼中間穿過時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試條件如下：

傳感器型號(hào)為EKH500EKA；電流測(cè)量范圍為0～2 A(相當(dāng)于0～500 A)；供電為-15 ～+15 V；頻帶寬度為DC 20 kHz；繞組為250匝；測(cè)量?jī)x器為FLUKE15B。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1.2 霍爾傳感器U-I圖

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的霍爾元件輸入電流和輸出電壓關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可以看出，線性關(guān)系非常好，由此可以得到輸入電流和輸出電壓的關(guān)系為Uout=2.445Iin。

3.2處理器模塊及外圍電路圖

3.2.1 處理器

STC12C5A60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10

圖4 霍爾傳感器輸入電流與輸出電壓關(guān)系

位A/D轉(zhuǎn)換(25萬次/s)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。處理器及外圍電路如圖5。

(a)晶體振蕩

(b)復(fù)位電路

(c)最小系統(tǒng)

3.2.2 ADC控制電路

設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器采用STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)置ADC，該ADC是10位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250 kHz(25萬次/s)。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，可通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。本設(shè)計(jì)可測(cè)量8通道電壓值，測(cè)量范圍為0～5 V。[4]它可完成溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)等工作。

3.2.3 電壓測(cè)量

工作原理：霍爾傳感器輸出電壓經(jīng)過放大接入單片機(jī)P1.7，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬的電壓量轉(zhuǎn)換為與它相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量[5]，取10位A/D的高9位，A/D取值范圍為0～512，微小調(diào)節(jié)霍爾元件的放大倍數(shù)，使輸入500 A電流時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器正好輸出500，如此A/D數(shù)據(jù)和輸入電流可以直接對(duì)應(yīng)。這樣使500 A對(duì)應(yīng)A/D的500，0 A對(duì)應(yīng)A/D的0,然后單片機(jī)將被測(cè)電流顯示在LCD上，當(dāng)待測(cè)電流高于(低于)設(shè)定的上(下)限時(shí)，單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)。

3.3液晶顯示LCD電路

JM12864C-2 LCD液晶顯示屏尺寸為62 mm×44 mm，分辨率為128×64,如圖6所示。該液晶顯示屏可以顯示漢字和圖形，它內(nèi)置128 個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)、64×128點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)，其主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下：LCD 由5 V 供電，采用并行接口通信；D/I、R/W、E 分別為數(shù)據(jù)/指令、讀寫和使能信號(hào)，DB0～DB7 為并行數(shù)據(jù)輸入端；工作溫度為-20～+70 ℃。

圖6 液晶顯示屏電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語言編程，其主函數(shù)程序如下：

void main(void) //主函數(shù)

{

Delay(1); //開始延時(shí)，等待外部模塊上電初始化

InitRam();

Init12864(); //初始化12864液晶

Clr12864(); //液晶顯示初始化

InitCom(); //UART串口初始化

InitADC();

InitTimer0(); //定時(shí)器初始化

Delay(10); //延時(shí)

while(1) //主程序循環(huán)

{

if(flag_keyscan) //按鍵掃描

{

flag_keyscan=0; //清標(biāo)志位

KeyScan(); //掃按鍵

}

if(flag_readAD) //讀A/D數(shù)據(jù)

{

flag_readAD=0; //清標(biāo)志位

adv10=GetADC(7); //讀第7通道的A/D數(shù)據(jù)

adv10&=0x3ff; //數(shù)據(jù)格式化

ad_addup+=adv10>>1; //取9位 0-511后累加

if(ad_counter++==7) //多次測(cè)量取平均

{

ad_counter=0; //次數(shù)計(jì)數(shù)器

ad_average=ad_addup>>3;

//取8次平均

ad_addup=0x0000; //累加和清零

if(ad_average>=highI || ad_average

{

flag_alarm=1; //置位報(bào)警標(biāo)志

{

else

{

flag_alarm=0; //清報(bào)警標(biāo)志

}

}

}

if(flag200ms) //200mS標(biāo)志到

{

flag200ms=0; //清標(biāo)志位

Show_SXCLXX(highI,ad_average,

lowI); //顯示刷新

if(flag_alarm) //如果報(bào)警

{

LEDR_IVT(); //紅燈閃爍

Beep(50); //發(fā)報(bào)警音

}

else //否則，不報(bào)警

{

LEDR_OFF(); //關(guān)報(bào)警燈

}

if(after_press_time_count)

{

after_press_time_count--;

}

if(after_press_time_count==1)

{

flag_press_timeup=1;

}

}

if(flag_setIHL)

{

flag_setIHL=0;

//SetIHL();

}

if(flag_sendADtocom && !flag_setIHL)

//如需發(fā)送ADC數(shù)據(jù)到串口

{

flag_sendADtocom=0; //清發(fā)送標(biāo)志

SendCurrentADvalueToCom();

//調(diào)用發(fā)送程序，發(fā)送時(shí)關(guān)中斷

}

if(flag_press_timeup)

{

runstate=0;

flag_press_timeup=0;

Beep(200);

}

}

}

5 結(jié)語

采用霍爾元件設(shè)計(jì)大電流測(cè)量?jī)x能為大電流測(cè)量特別是直流電大電流的測(cè)量找到一種較好的方法。該霍爾傳感器用磁芯材料作磁路，借鑒了鉗形表測(cè)量電流的思路，使用霍爾元件測(cè)量電流的磁場(chǎng)要比電磁感應(yīng)法更精確，測(cè)量范圍更廣，使用單片機(jī)對(duì)霍爾電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并用LCD顯示器顯示被測(cè)量電流值，使數(shù)據(jù)處理的每一個(gè)環(huán)節(jié)都有較高的精度。用此方法測(cè)量電流，測(cè)量范圍更大，方法簡(jiǎn)便，測(cè)量過程中儀器不必接入電路，測(cè)量過程更安全。

[1]嚴(yán)世勝，鐘承堯.單片機(jī)直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)[J].海南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010(1)：44-46.

[2]宋敬衛(wèi)，付廣春.基于STM32的多路電壓采集研究[J].電子世界，2013(6)：55-56.

[3]李漢軍.直流電壓的單片機(jī)測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2001(1)：48-49.

[4]金雪塵，黃亮.用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)三基色LED燈的調(diào)色[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(3)：16-19.

[5]徐博寧，司江英.基于單片機(jī)的頻率、電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(21)：67-69.

責(zé)任編輯：張秀蘭

DesignofHighCurrentTesterBasedonHallElement

JINXuechen，HUANGLiang，ZHANGJie

(School of Science,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

In this paper,a high current instrument is designed to measure AC/DC with Hall element,whose basic principle of the measurement is: showing the size of the measured current by measuring the size of magnetic field caused by measured current.The size of magnetic field is converted into the Hall voltage through the Hall sensor,and displayed on the LCD screen after a SCM processing.The current measurement ranges from 0.1A to 500A and measurement accuracy is up to effective 3-digit figures.The instrument provides the measurement of high DC with a better way.

Hall element；electric current；magnetic field；SCM

2014- 04-16

金雪塵(1963— )，男，副教授。

1671- 0436(2014)03- 0018- 05