基于霍爾元件的電流測(cè)試

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 康書寧 李 博

基于霍爾元件的電流測(cè)試

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 康書寧 李 博

本文介紹了霍爾元件的工作原理及特點(diǎn)，利用霍爾元件檢測(cè)電流信號(hào)，檢測(cè)到的微小信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在液晶屏上顯示電流值。

霍爾元件；電流；測(cè)量；A/D轉(zhuǎn)換

1 引言

利用霍爾元件進(jìn)行電流測(cè)試的原理是霍爾效應(yīng)，該測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)在于它是一種非接觸式的測(cè)量方法，測(cè)量過程中不改變被測(cè)電路本身的特性，使測(cè)量更為準(zhǔn)確?；魻栐y(cè)量電流可采用開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。閉環(huán)是在鐵芯上纏繞一個(gè)被測(cè)線圈和一個(gè)補(bǔ)償線圈，當(dāng)兩個(gè)線圈的磁場相互抵消時(shí)，補(bǔ)償電流與被測(cè)電流相等。閉環(huán)的方式主要用于測(cè)量微小電流，精度較高。本文采用開環(huán)的測(cè)量方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用霍爾元件檢測(cè)電流信號(hào)，輸出霍爾電壓經(jīng)AD芯片采樣、量化、編碼后得到數(shù)字量送入單片機(jī)處理，并在LCD12864上顯示。本設(shè)計(jì)的AD芯片采用8位分辨率的ADC0832，單片機(jī)用STC89C51，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 硬件電路

3.1 電流檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)采用的霍爾元件型號(hào)為HG-302C，其線性度很好，最大輸入電壓為10V；最大輸入功率為150mW；工作溫度為-40℃～+125℃。利用該霍爾元件檢測(cè)電流信號(hào)的電路如圖2所示：

圖2 電流檢測(cè)電路

霍爾元件工作時(shí)在1、3兩個(gè)引腳通以一定的電流，當(dāng)霍爾元件處在被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場中，在2、4兩個(gè)引腳之間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即輸出一定值的電壓。根據(jù)霍爾元件的特性，其輸入電流最大值為15mA。該電路最上面是定電流支路，采用穩(wěn)壓二極管使從電源到三極管基極的電壓固定為5.1V，當(dāng)R2的電阻調(diào)至1KΩ，流入霍爾元件1腳的激勵(lì)電流約為5mA。

當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流I時(shí)，若磁場強(qiáng)度為零時(shí)，霍爾元件的實(shí)際輸出電壓并不為零，該空載的電勢(shì)又稱為不等位電勢(shì)，解決方法是將2腳的輸出連在R5上，通過調(diào)節(jié)R5使磁場強(qiáng)度為零時(shí)的輸出電壓為零，補(bǔ)償不等位電勢(shì)。補(bǔ)償后的電壓連接運(yùn)放進(jìn)行負(fù)反饋放大，其中R8用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換采用常見的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，它具有8位分辨率，支持雙通道輸入。由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，本電路將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。本設(shè)計(jì)中只需一個(gè)通道，將CH0與電流檢測(cè)電路的輸出Vo相連，電路圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序主要包括初始化程序、A/D采樣處理模塊及LCD12864數(shù)據(jù)顯示。初始化程序主要是對(duì)LCD進(jìn)行初始化清除顯示，A/D采樣處理模塊主要進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的讀取，并將該數(shù)字量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流值并放入數(shù)組中。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，首先向LCD12864寫入命令確定數(shù)據(jù)顯示的位置，再向其寫入數(shù)據(jù)顯示測(cè)得的電流值。

表1 被測(cè)電流及對(duì)應(yīng)的霍爾電壓

5 系統(tǒng)調(diào)試

（1）分別測(cè)量三極管各點(diǎn)及霍爾元件的1、3、4點(diǎn)的電壓是否與理論值相同。

（2）測(cè)量流入1腳的電流是否符合霍爾元件輸入電流的要求，即小于15mA。

（3）改變被測(cè)電流的值，測(cè)量電流檢測(cè)電路的輸出電壓Vo是否有變化，若有明顯變化，記錄不同被測(cè)電流值對(duì)應(yīng)的運(yùn)放的輸出電壓值，如表1所示。

通過MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到的擬合函數(shù)表達(dá)式：y=1.92*x+0.08337。

放大后的電壓經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)上述擬合函數(shù)將電壓值x轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流值y，在LCD12864上顯示。

6 總結(jié)

該設(shè)計(jì)的結(jié)果較為準(zhǔn)確，在LCD12864上顯示的值與通過電流表檢測(cè)到的值相差較少。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可以檢測(cè)到的電流范圍為0.03A到1.174A，其絕對(duì)誤差為10mA，滿量程誤差約為1.2%。

對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)由于使用了半導(dǎo)體器件，系統(tǒng)受溫度影響較大，可以在電路中加入溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行改進(jìn)。另外加入濾波電路濾除高頻成分，也可使測(cè)量更為準(zhǔn)確。

[1]米哲濤,曹雷．霍爾元件在電流傳感器中的應(yīng)用[J]．機(jī)車電傳動(dòng),2011(01): 32-35+39．

[2]金雪塵,黃亮,張杰．基于霍爾元件的大電流測(cè)定儀的設(shè)計(jì)[J]．常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2014(03):18-22．

[3]李富安．閉環(huán)霍爾電流傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試[D]．華中科技大學(xué),2013．