基于霍尔传感器的电流检测系统.pdf

第 2期 2 0 0 8年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on NO ． 2 Ap r ．2 0 0 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 8 0 2 0 0 7 4 ～0 3 基于霍尔传感器的电流检测系统 王香 婷 ， 苏晓龙 中国矿业大学信 电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 采用霍尔传感器设计 了一种以 AT8 9 C 5 1 单 片机为核心的 电流检测 系统 ， 介绍 了该 系统硬件和软 件的设计方法， 重点阐述 了单片机电路、 检测电路 、 A／ D转换电路和显示电路的原理与实现方法。 关键词 霍 尔传感器；电流检测；A／ D转换；单片机；AT 8 9 C 5 1 中图分 类号 T M9 3 3 ． 1 ； T N 3 8 2 文 献标 识码 B 0 引言 电流检测有多种方法 ， 最通用的方法是采用阻 性分流器 、 互感器或霍尔传感器 。阻性分流器工作 时与负载串联 ， 无法进行隔离测量 ； 互感器只适用于 5 0 Hz工频 交流 的测 量 ； 霍 尔 检测 技 术综 合 了互 感 器和分流器技术的所有优点 ， 同时又克服了互感器 和分流器 的不足 ， 采用一只霍尔电流电压传感器／ 变 送器模块检测元件， 既可以检测交流 ， 也可以检测直 流 ， 甚至可 以检测瞬态峰值 ， 同时又能实现主电路回 路和电子控制电路的隔离， 因而是替代互感器和分 流器的新一代产品。 l系统硬 件设 计 基 于霍尔传感器 的电流检测 系统 以AT8 9 C5 1 收稿 日期 2 0 0 7 1 0 一n 作者简 介 王香婷 1 9 5 2 -- ， 女 ， 教授 ， 中国矿业大学信电学 院电 工电子教学 实验中心主任 ， 研究方 向为 电路与系统 、 检测技术与 自动 化装置。 单片机为核心 ， 应用霍尔传感器技术 ， 实现对被检测 电路电流的测量 。检测系统硬件电路包括单片机模 块 、 数据采集模块、 数码显示模块 和电流检测模块 ， 系统硬 件 框 图如 图 1所示 。 图 1系统 馒 件 框 图 1 ． 1 单 片机模 块 选 用， AT 8 9 C 5 1单 片 机 作 为 电 路 控 制 的 核 心 。 A T8 9 C 5 1 是一种低功耗／ 低电压 、 功能强、 灵活性 高 且 价格 合 理 的 8位 单 片 机 。片 内有 1 2 8 B的 R AM 数据存 储 器 ， 4 KB的 R OM 程 序 存 储 器 ， 4个 i ／ o 口， 1 个串口， 2 个定时／ 计数器， 5个 中断源 ， 无 内置 看门狗， 也无、 A／ D转换。根据系统设计要求 ， 需要 在片外扩展 A／ D转换接 口。 AT 8 9 C 5 1 单 片 机片 内 的 4 KB R OM 只读存 储 器为 F L AS H 存储器 。该存储器采 用 C MOS工艺 框 中动态显示 ， 将采集到 的数据保存到数据库文件 中， 并通过以太网络传输数据 ， 实现远程测控功能嘲。 4结语 本 文在 分析 和研 究 t P S D 3 2 3 4 A 单 片 机 串 口通 信机制的基础上 ， 阐述 了在 L a b Wi n d o ws ／ C VI 虚拟 仪器开发平 台上实现 P C机与 ／ P S D单片机 串行通 信的原 理 和 方 法。该方 法 充分 发挥 了 L a b Wi n d o ws ／ C VI 、 ／ P S D单片机和 P C机三者的优势 ， 并成 功地应用到新型远程矿井通风机性能测试仪项 目的 开发中。实际运行表明， 该方法具有系统实现灵活 、 方便和快捷 、 系统界面友好 、 性能稳定和可扩展性强 等优点 ， 具有较高的实际应用价值。 参 考文献 E l i 刘君华． 基 于 L a b Wi n d o ws ／ C V I的虚 拟仪 器的研究 与 开发E M] ．北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 8 2 3 杨建新 ， 杨世凤 ， 隋 美丽．L a b Wi n d o w s ／ C VI 测试技 术 及工程应用[ M] ． 北 京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 金之城 ， 李 德颂 ， 马 潮． P S D 3 2 x x高 速 S OC单 片机 原理及应用[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． E 4 ] 张凤均． L a b wi n d o w s ／ c VI 开 发 入 门 和 进 阶 E M] ． 北 京 j E 京航 空航天大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 维普资讯 2 0 0 8年 第 2 期 王 香婷 等 基 于 霍 尔传 感 器的 电流检 测 系统 7 5 和 AT E ME I 公司的高密度非 易失性存储器技 术， 与工业标准 的 MC S一5 1指令集 和输 出管脚相 兼 容 ， 可通过专用编程器即擦即写 ， 允许擦写次数可达 1 O 次 。 1 ． 2 电 流 检 测 模 块 选用霍尔元件 AN3 5 0 3和磁线圈构成霍尔电流 检测电路。AN3 5 0 3由电压调 整器、 霍尔 电压发生 器 、 线性放大器和射极跟随器组成， 其输入是磁感应 强度 ， 输出是和输入量成正 比的电压。其电流检测 电路原理 如 图 2 所 示 。 HAUBL ANl O K l ～ l Ok 图 2 AN3 5 0 3霍 尔 电 流 检 测 电路 原 理 图 图 2中 ， AN3 5 0 3的 1 脚接 稳 压器 输 出 的 5 V 电源 ， 2脚 接 地 ， 3脚 为 电 压 输 出 端 。 在 电 源 为 5 V时， 霍尔元件静态输出电压为 2 ． 5 V， 并有 较 高的灵敏度 。磁场 N极从背面接近 AN3 5 0 3 ， 当通 过导线的电流增加时 ， 输出电压增加 。A／ D转换器 的输入 电压为 0 ～5 V， 而霍 尔元件 的输 出电压 为 2 ． 5 V左右 ， 为此 ， 不需要 设置放 大电路， 只需 在输 出端设计一个跟随电路便可满足转换要求。 检测 电路测量 的是电路的 电流值， 而 AN 3 5 0 3 霍尔传感器输出的为电压值 ， 为此 ， 必须找出被测 电 路电流与霍尔传感器输出电压间的关系。 磁线圈中电流与磁场的关系式 B 一 工 1 式 中 B为磁感应强度 ， T； 为磁导率 ， H／ m； 为线圈压数 ； I 为被测电路电流 ， A。 AN3 5 0 3霍尔传感器电压输出关系式 U 一 0 ． O 2 5 B 2 ． 5 2 从 式 1 、 2 可 以得 出 一 U 一 2 ． 5 ／ O ． 0 2 5 工 3 则被测电路电流与霍尔传感器输出电压间的关 系 I 4 0 U 1 0 0 ／ 4 所以必须测得磁线 圈的参数 。对被测 电路 进行测试时， 令检测电路电压为 5 V， 电阻为5 0 0 Q， 得到检测 电流 工 为 0 ． 0 1 A， 而在这 时测得 A N3 5 0 3 的输 出 电压 U叭 n 一2 ． 6 2 V， 根 据 式 3 可得 到 的 值为 4 ． 8 。 由式 1 、 2 、 3 可以求得 AN3 5 0 3的输出电 压 U。 和被测 电流 工的关 系 I一 4 0 U。 1 0 0 ／ 4 ． 8 5 编程 时 ， 按 照式 5 进 行 一定 的 数据 转 换 处 理 ， 即可以在显示模块得到被测电流值。 由于霍尔传感器为磁感应元件 ， 容易受环境影 响， 所以应对 系统进行初值 消除。本系统采用2种 方法 消 除 环 境 影 响 一 种 方 法 是 为 检 测 系 统 设 计 一 个 电力开关， 使单片机监测电力开关状态， 把开关 没闭合时采集到的数 据作为检测 电路的零 电流值 ， 当开关闭合 ， 单片机得到开关信号 ， 并开始把霍尔传 感器采集的数据减去零电流值进行初值消除， 提高 测量精度； 另外一个提高精度的方 法是进行 系统温 度补偿 ， 首先是测量环境温度 ， 得到不同温度下霍尔 传感器的温度 特性 ， 然 后在设 计检测 电路 时 添加 一 个温度传感器 ， 使单片机 能够根 据不 同的温度进 行软件补偿 。 1 ． 3 A／ D 转换模 块 由于 AT 8 9 C 5 1片 内没 有 A／ D 转换 ， 根 据 系 统 设计要求 ， 需要在片外扩展 A ／ D转换接 口。系统选 用 AD C 0 8 0 4转 换 器 ， 如 图 3所 示 。AD C 0 8 0 4的 D B 0 DB 7 分 别 接 单 片 机 的 P 0 ． 0 ～ P 0 ． 7 ， AG ND、 D GND、 C S 、 V 一 端接地 ， R D、 WR端分别接单片 机的RD、 WR端 ， 中断请求端I NTR 接单片机的 P 2 ． 0 口， V 。 端接采集信号输入。 Rs 1 k 口 2 O k ， ． ． L I I 2 o 0p F DBO DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 图 3 ADC0 8 0 4转 换 原 理 图 调 整 变阻 器 HAUB L AN2 O K， 使辅 助参 考端 脚 得 到 2 ． 5 6 V 标 准 参 考 电 压。在 C L KI N、 C L KOUT端设 计 R C振荡 电路， 由于 AD C 0 8 0 4频 率限 制 在1 0 0～ 1 4 6 0 k Hz ， 通 过 对 频 率 公 式 ， 一1 ／ 1 ． 1 RC 的计算 ， 选 择 电阻 R 。为 2 0 k ， 电容 C 为2 0 0 p F， 即可得到符合设计要求的频率 。 1 ． 4数 码 显 示 模 块 数码显示模 块主要显示单片机 的输出数据、 状 态 等 。 系统显 示部分采 用共 阴极8 段数码管 ， 选用 0 接 一 、●● ● ● ， 接 阻 R D R Rw ～ {3 u 维普资讯 第 2 期 2 0 0 8年 4月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 2 AD r ． 2 00 8 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 8 0 2 0 0 7 6 --0 3 基于 A R M 的矿用隔爆型移动变电站 高压侧保护器的研制 凌 六 一 ， 黄友锐 ， 曲立 国 安徽理工大学电气工程系 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 文章介绍 了一种基 于 AR M 的矿 用隔爆 型移动 变电站 高压侧保护 器的设计 方法。该保护器 以 ARM L P C 2 2 9 2为控制核心， 外 围接 口电路设计 简单， 工作可靠性 高， 保护功能齐全。其软件采 用嵌入式 实 时操 作 系统 u C ／ OS I I ， 提 高 了 系统 的 实时性 和保 护动作 的 灵敏度 。 关 键词 矿 井 ；隔爆 型 ；移 动 变电站 ；保 护 器 ；高压保 护 ；ARM；u C ／ 0S I I 中图分 类 号 T D 6 1 1 ． 5 文 献标 识码 B 收 稿 日期 2 0 0 7 一O 9 1 1 作者简介 凌六一 1 9 8 0 一 ， 男 ． 硕 士， 讲师 ， 主要研究方 向为计 算机控制 和信息处理 。 0引 言 煤矿井下低压电网供电系统 ， 特别是综采工作 面，大多采用高压深 负荷 的移动变 电站供 电方式。 随着综采工作面生产机械 自动化水平的 日益提高， C MOS B C D七段字符 显示译码 器 MC 1 4 5 1 1 B C P作 为它的驱动器件 ， 并在译码 器和数码管之间接入分 压电阻保护数码管， 防止电压过高烧坏数码管 。 数码 显示 部 分采用 动 态扫描 显 示方 法 ， 4个 MC 1 4 5 1 1 B C P译 码器 共用 8条 数据线 。其 中 L E端 为片选端， 置低电压时译码器被选中可以读取数据 ， 置高电压时未被选中， 译码器锁存， 保持所显示的数 据值不变 ； A、 B、 C、 D为数据值输入端， 分别接单片 机的 P 1 ． 0 ～P 1 ． 3口； 4个片选端 分别接单 片机的 P1 ． 4～ P1 ． 7 口 2系统软件设计 系统软件采用 C语言编程 ， 采 用模块化 结构， 主要包括初始化模块 、 A／ D采样处理模 块等部分， 修改和维护十分方便。初始化模块主要完成各个端 口以及 2个计时器的初始化， 并定义使用 的各个端 口。A／ D采样处理模块主要是对从 ADC 0 8 0 4采集 来的数据进行处理， 完成对二进制数向 B C D码的转 换 ， 并且通 过 P 1口输 出显示 ， P 1口的低 4位输 出 B C D码 ， 高 4位 为数码管 的片选信 号 。AD C 0 8 0 4 与单 片 机 系统 AT 8 9 C S 1的连 接采 用 循 环 扫描 的方 式 。当 A／ D转换 结束后 ， ADC 0 8 0 4向 C P U 发 出 一 个信号， C P U对转换后的数字量进行处理， 使数 码管显示当前的电流值。 3 结语 基 于霍 尔传感 器 的电流检 测 系统具 有很 好 的线 性度 、 精确度和良好 的反应时间， 完全能够达到设计 的要求 ， 而且传感器 电路简单 、 成本低 ， 具有很好的 实用 价值 。 参考文献 [ 1 ] 陈力周． 单片机原理及其应用[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 白韶红． 集成霍尔传感器的发展[ J ] ．自动化仪表， 2 0 0 3 3 ． [ 3 ] 陈杰， 黄鸿． 传感器与检测技术[ M] ． 北京 高等教 育出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 徐 英雷 [ J ] ． 电 [ 5 ] 宋吉江 备管理 [ 6 ] 张欣 制 中的 [ 7 ] 邓重一 ，许峻 峰． 基 于单 片 机 的霍 尔 传感 器 测试 系统 力机车技术， 2 0 0 1 4 ． ／ ，牛轶霞． 用霍尔传感器测量大电流[ J ] ． 中国设 ，2 0 0 1 2 ． ，陆申龙． 新型霍尔传感器的特性及在测量与控 应用[ J ] ． 大学物理 ， 2 0 0 2 1 O ． ．利用霍尔传感器芯片设计直流电流检测电路 [ J ] ． 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