基于单片机的霍尔电流检测装置硬件开发

引言电流检测有多种方法，最常用的方法是使用电阻分配器、变压器或霍尔传感器。电阻分配器与负载串联工作，不能进行分离测量。变压器仅适用于50 Hz工频交流测量。霍尔检测技术集成了变压器和分流技术的所有优点，同时克服了变压器和分配器的不足，使用霍尔电流电压传感器/变送器模块检测元件检测交流和直流，甚至检测暂态峰值，同时实现主电路电路与电控电路的隔离，是替换变压器和配电装置的下一代产品。基于霍尔传感器的电流检测系统以AT89C51微控制器为核心，应用霍尔传感器技术测量检测电路中的电流。测试系统硬件电路包括电源电路、单芯片电路、数据收集电路、数字显示电路、电流检测电路等，如图1所示。图1系统硬件方框图第一章硬件原理图设计1.1电源电路图2电源模块如图2所示，系统的电源由220V-9V变压器提供。考虑到变压器体积大，220V电压高，会影响电路板芯片的正常运行，我们选择变压器独立外部处理。变压器的二次侧输出电压包括交流9V电源、通过整流桥脉动的直流电源、滤波电容、稳定管78L05、二次滤波电容，获得满足系统要求的5v电源，并为设备的各个部分供电，以确保每个设备的正常运行。1.2电流检测电路选择ACS712作为电流检测传感器。ACS7i2是Allegro新推出的线性电流传感器，具有准确的低偏转线性霍尔传感器电路，可输出与检测到的交流或直流电流成正比的电压。低噪音、快速响应时间(相当于步进输入电流，输出增加时间为5 S)、50千赫带宽、总输出错误高达4%、高输出敏感度(66mv/a至185mv/a)、易于使用、性价比高、绝缘电压高的功能主要是电动机控制、负载特别是用于需要电绝缘，但不需要光绝缘或其他昂贵的绝缘技术的应用程序。1.2.1针脚说明ACS712以具有针脚分布的小型SOIC 8封装作为单个电源5V驱动，如图3所示。每个针脚的功能在针脚1和2、3、4上内置了保险，正在测试的电流的两个输入端，在检测到直流电流的情况下，l和2、3、4分别在正在测量的电流的输入端和输出端的表l中列出。表1 ACS712每个针脚功能说明大头针名字功能说明1和2IP测量的电流流输入或输出3和4IP-测量的电流流输入或输出5GND信号纸6过滤器外部电容器7VI out模拟电压输出8VCC电源电压图3 ACS712针脚示意图1.2.2 ACS712内部结构和工作原理图4 ACS71 2中的操作图ACS71 2的工作原理如图4所示，该设备主要由芯片表面附近的铜电流路径和精确的低偏置线性孔传感器电路等组成。被测试的电流流径(接脚l与2，3和4之间的电路)的内部电阻通常为耗电量低的1.2m欧姆。测量的电流路径和传感器针脚(针脚5-8)的绝缘电压2.1kVRMS几乎绝缘。通过铜电流路径的电流产生的磁场可以由芯片内的霍尔IC诱导，转换成比例电压。将磁信号尽量靠近霍尔传感器，优化设备精度。准确的比例输出电压由工厂精确编程的稳定斩波低偏压BiCMOS霍尔集成电路提供。稳定斩波技术是为芯片内的霍尔组件和放大器提供最小偏压的新技术，该技术几乎可以消除由于芯片的温度而产生的输出漂移。ACS712包括缓冲放大器，该缓冲放大器允许电阻RF(INT)iI-用户通过光纤针(第六脚)外部容量CF和RF(INT)配置简单的外部RC低通滤波器，从而消除芯片内部电阻和接口负载分压引起的输出衰减，因此外部RC低通滤波器不会影响信号衰减此外，ACS71 2的响应时间比标准设备缩短了两倍以上，非常适合保护和高速应用程序。特性曲线及其典型应用表2 ACS712中的特性曲线上表是显示ACS712 3OA输出电压与检测电流之间关系的特性曲线，在检测范围30A内，传感器的输出电压与检测电流成正比，且几乎不受温度影响。原理图中的1 .2.3 ACS712的应用图ACS 712在原理图中的应用如图5所示，当测试的电流通过ACS712芯片时，该芯片利用霍尔效应将测试的电流转换为05V直流模拟信号。1.3数据收集电路由于AT89C51片没有a/d转换，因此根据系统设计要求，必须在片外部扩展a/d转换接口。此设计使用ADC0804转换器。ADC0804是连续渐进的A/D转换器，具有快速转换速度(数十到数百us)、高分辨率和低成本(通常用于微型计算机的界面设计)的优点。连续渐进A/D转换器的转换原理描述为输出8位ADC0804行为，操作步骤如下(原则上从左侧最高位开始查找):第一个搜索结果： (如果输入了假定值，则查找范围=假定位=1)第二个搜索结果： (如果输入了假定值，则查找范围=假定位=1)第三个搜索结果： (如果假定值，则位置=假定位置=0)第四个搜索结果： (如果输入了假定值，则查找范围=假定位=1)第五个搜索结果： (如果假定值，则位置=假定位置=0)第六个搜索结果： (如果输入了假定值，则查找范围=假定位=1)第七个搜索结果： (如果输入了假定值，则查找范围=假定位=1)第8个搜索结果： (如果假定值，则位置=假定位置=0)采用这种利用二分法查找的方法，8位A/D转换器只需8次查找即可完成转换操作，其中输入值表示模拟输入电压Vin。1.3.1 ADC0804的接脚图：图6 ADC0804针脚图每个接脚的角色：D0-D7: 8位数字输出；CLK:如图所示，为芯片操作提供操作脉冲。时钟频率的计算公式为fCK=1/(1.1RC)CS:芯片选择信号；WR:写入信号输入；RD:读取信号输入；INTR:转换完成中断提供程序；其他针脚连接是提供电源和参考电压的针脚输入端，如图所示芯片参数：工作电压：5V，即VCC=5V。模拟输入电压范围：0至5v，即0Vin 5V。分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0到255之间。转换时间：100us(如果fCK=640KHz)。转换错误：1LSB。参考电压：2.5V，即Vref=2.5V1.3.2 ADC0804周边电路和单片机的链接图图6 ADC0804周围的电路图调整可变电阻HAUBLAN20K，使辅助参考端VREF脚接收2.5 V标准参考电压。在CLKIN，CLKOUT端设计RC振荡电路时，由于ADC0804频率限制为100 1 460khz，因此通过频率公式f=1/(1.1 RC)的计算，可以选择电阻R=20 k，容量C=200 pF以获得满足设计要求的频率。图7 ADC0804和微控制器链接图如图7所示，ADC0804的DB0到DB7分别连接单芯片微计算机的p0.0到po.7、AGND、DGND、CS、VIN- end接地、RD、WR端分别连接单芯片微计算机的RD、WR端，请求端INTR连接单芯片微计算机的RD、WR端1.4单片机最低系统此设计使用AT89C51微控制器作为电路控制的核心。AT89C51是低功耗/低电压、功能强大、灵活性高且价格合理的8位微控制器。片上有128 B的RAM数据存储，4 KB的ROM.程序存储、4个I/0端口、1个串行端口、2个定时/计数器、5个中断源、无内置监视程序坞站、无a/d转换。根据系统设计要求，a/d转换接口必须在片外部扩展。AT89C51微控制器片的4 KB ROM只读内存是闪存。此内存动态显示在CMOS进程框中，便于将收集的数据保存在数据库文件中，速度快，系统界面友好、性能可靠、可扩展，通过以太网网络传输数据，提供远程测量和控制功能等优点，具有很高的实际应用价值。与行业标准MCS 51指令集和输出针兼容的ATEMEL高密度非易失性内存技术，可通过专用程序员写入。1.4.1针脚说明图8 AT89C51针脚图VCC:电源电压。GND:接地。P0端口：P0端口是8位泄漏等级的双向I/O端口，每只脚吸收8TTL门电流。P0端口上的端号定义为第一次写入1时的高电阻输入。P0可用于外部程序数据存储，可以定义为数据/地址的8个字符。编程FIASH时，P0端口作为源代码输入端口工作，FIASH验证时，P0输出源代码必须在P0外部连接抗拉能力。P1端口：P1端口是提供内部牵引电阻的8位双向I/O端口，P1端口缓冲区可以接收输出4TTL门电流。如果P1喷嘴记录为1，则由于内部拉力，内部拉高，可以用作输入，并且如果P1端口外部下拉级别低，则输出电流。在FLASH编程和验证中，P1端口监听到低8位地址。P2端口：P2端口是内部下拉的8位双向I/O端口，P2端口缓冲区可接收，输出4个TTL门电流，P2端口写为“1”时，主脚将被拉至内部拉出电阻并用作输入。因此，作为输入，P2端口的端号向外拉，电流输出。这是因为内部拉动。访问P2端口外部程序存储或16位地址外部数据存储时P2端口输出地址的前8位。给定地址“1”时，利用内部牵引优势，当外部8位地址数据存储读取和写入时，P2端口输出相应特殊功能寄存器的内容。P2端口在FLASH编程和验证时接收高8位地址信号和控制信号。P3端口：P3端口针脚是8个具有内部抗拉能力的双向I/O端口，可接收4个输出TTL门电流。当P3视口记录为“1”时，将其内部拉至顶层级并用作输入。输入输出电流(ILL)，因为外部下拉级别低，所以P3嘴拉。P3端口也可以用作AT89C51的某些特殊功能端口，如下表所示。表3 P3输入替代菜单官发替代功能P3.0串行输入端口(RXD)P3.1串行输出端口(TXD)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(计时器0外部输入)P3.5T1(计时器1外部输入)P3端口同时接收一些控制信号，以进行闪烁编程和编程确认。RST:重置输入。振荡器重置设备时，保持RST脚2机器循环的高水平时间。ALE/PROG:访问外部存储时允许地址锁定的输出级别用于锁定地址的低字节。在FLASH编程过程中，此管脚用于输入编程脉冲。通常，以等于振荡器频率的1/6的固定频率周期输出正脉冲信号。因此，可用于外部输出的脉冲或定时目的。但是，每次用作外部数据存储时，都会跳过ALE脉冲。要禁止eals的输出，请在SFR8EH地址中设置0。ALE仅在运行MOVX且MOVC命令为ALE时起作用。另外，这个大头针被稍微拉了一下。如果微处理器没有在外部运行状态ALE，加载将无效。/psnn:外部程序存储的可选通信号。由外部程序内存引用时，/PSEN在每个系统循环中都有效。但是，访问外部数据存储时，没有两个有效的/PSEN信号。/EA/VPP: /EA保持较低级别将导致在此期间发生外部程序存储(0000H-FFFFH)，无论是否存在内部程序存储。注意加密方法1，/EA重新设置内部；锁定到。此内部程序内存用于/EA端保持高水平。在闪存编程过程中，此针脚也用于应用12V编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入和内部时钟工作电路的输入。XTAL2:逆振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别是逆放大器的输入和输出。逆放大器可以由帧内振荡器组成。可以使用石头振动和陶瓷振动。如果使用外部时钟源驱动程序，则XTAL2不应连接。内部时钟信号可以通过双分割触发器输入，因此，对外部时钟信号的脉冲宽度没有要求，但必须保证脉冲水平要求的宽度。1.4.2单片机复位电路51系列单片机复位信号适用RST针输入，高电平。如果RST针脚输入到较高的级别，并且两个机器周期都保持不变，则在微控制器内部执行重置操作。为了确保重置成功，通常重置针脚RST只有10毫秒或更高的级别，微控制器就会可靠地重置。在此选择手动重置方法。按下重置按钮后，电容c通