应用霍尔集成传感器测量转速电路设计黄河科技学院课程设计0

1、课程设计说明书 第 I页应用霍尔集成传感器测量转速电路设计摘要本系统采用以 8051 系列的 AT89S52 单片机系统为核心利用霍尔电流传感器来开发数字霍尔电流表系统。系统硬件原理图由霍尔传感器采集电流信号，信号处理，数据处理和智能算法、显示和报警等构成。整个系统由微处理器控制，根据“霍尔效应”的原理设计的。由霍尔电流传感器直接采集电流信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的，并在显示系统上显示。显示电路的作用是将测量的电流实时显示出来，当测量电流超过电流表的测量范围时报警电路将发出声光进行报警。关键词：报警器，霍尔传感器，单片机，AT89S52，ADC0809课程设计说明书 第 II

2、页目 录1 绪论.12 数字霍尔电流表系统硬件电路设计.32.1 霍尔电流传感器电路 .32.2 放大和 AD 转换电路.52.3 控制电路.82.4 声光报警电路.102.5 显示电路.102.6 电源电路.123 数字霍尔电流表系统软件设计.143.1 软件总体流程设计.143.2 系统软件实现原理.143.3 系统程序构建 .14总 结.16致 谢.17参考文献.18附录一 电路原理图.19附录二 源程序代码.20课程设计说明书 第 1 页1 绪论在工业、牵引、电力等领域，对于电压、电流及功率的计量是非常重要的。对于电压的计量，低压可以用电压表直接测量到，而对于高压的话就需要有电压互感器

3、变压后进行测量。那么对于电流的测量交流直流电流很小时，可以用万用表直接串入到电路中去测量，稍大点的电流可以用分流器测量，但是这种方法测量精度低，隔离程度低，电流超过 7000A 以上时分流器就无法使用了。这就需要可以测量大电流并可以精确数显的电流表。本系统采用以 8051 系列的 AT89S52 单片机系统为核心利用霍尔电流传感器来开发数字霍尔电流表系统。系统的原理框图如下：课程设计说明书 第 2 页霍霍尔尔电电流流传传感器感器信信号处理号处理单单片片机机数数字字显显示示电电路路声声光光报报警警电电路路电电 源源 部部 分分系统硬件原理图由霍尔传感器采集电流信号，信号处理，数据处理和智能算法、

4、显示和报警等构成。整个系统由微处理器控制，根据“霍尔效应”的原理设计的。由霍尔电流传感器直接采集电流信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的，并在显示系统上显示。它的各部分电路的说明如下。(1).霍尔电流传感器部分：该部分电路是本次设计的基础，它利用霍尔效应 U=K*I*B 将电流的变化转变成电压的变化实现测电流。(2).信号处理部分：该部分电路包括电压信号的放大和 AD 转换，实现模数变换。(3).单片机部分：课程设计说明书 第 3 页AT89C51 单片机系统是数字霍尔电流表的核心部分，主要任务有：给 ADC0809模数转换芯片提供一个时钟，使其正常工作，同时采集模数转换后的数字信号

5、，使用软件滤除干扰，并对数字信号进行计算，然后输出显示。(4).电源电路部分：该部分电路负责将输入的 9V12V 直流电，分别转换为稳定的 9V、5V、-9V 直流电，给传感器，放大电路，单片机，ADC0809 等供电。(5).显示电路，声光报警电路：显示电路的作用是将测量的电流实时显示出来，当测量电流超过电流表的测量范围时报警电路将发出声光进行报警。2 数字霍尔电流表系统硬件电路设计系统由五大部分组成：（1）霍尔电流传感器测量电路；（2）数据采集，放大，AD 转换电路；（3）单片机 AT89C51 控制及数据计算电路；（4）电源电路；（5）电流实时显示电路和声光报警电路。2.1 霍尔电流传感

6、器电路本次课程设计采用的是 ACS712 霍尔电流传感器，ACS712 是 Allegro 公司新推出的一种线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。具有低噪声，响应时间快 ( 对应步进输入电流， 输出上升时间为 5 S ) ，50 千赫带宽，总输出误差最大为 4， 高输出灵敏度 ( 66 mVA185mVA)，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点。该器件主要由靠近芯片表面的铜制的电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成。被测电流流经的通路(引脚 l 和 2，3 和 4 之间的电路)的内电阻通常是 1.2m，具有较低的功耗。被

7、测电流通路与传感器引脚 ( 引脚 58 )的绝缘电 压2.1kVRMS，几乎是绝缘的。流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔 IC 感应并将其转化为成比例的电压。通过将磁性信号尽量靠近霍尔传感器来实现器件精确度的最优化。精确的成比例的输出电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔集成电路提供，该集成电路在出厂时已进行了精确的编程1。ACS712 的引脚图及引脚说明如图 1 和表 1 所示：课程设计说明书 第 4 页图 2.1 引脚图表 1 引脚功能 ACS712-3OA 输出电压与检测电流关系的特性曲线，在检测范围30A 内，传 感器的输出电压和检测电流成正比，几乎不受温度的影响

8、。图 3 ( b) 为 ACS712 -30A 检测灵敏度与电流关系的特性曲线，输出灵敏度约为 66mV/A，受温度影响很小。图 2.2 特性曲线该部分电路原理图如下所示：课程设计说明书 第 5 页1IP+2IP+3IP-4IP-5GND6filter7OUT8VCCACS712ACS71212P3Header 212P4Header 2GNDVCC1nfC4CapIN1图 2.3 电路原理图P3 和 P4 分别为待测电流的输入和输出，采用 5V 电源供电。2.2 放大和 AD 转换电路 本次课程设计，放大模块采用的是 OP07 放大集成电路，AD 转换电路采用的是 ADC0809。OP07

9、芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于 OP07具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V ，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA） 和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面10。 OP07 具有以下特点： 超低偏移： 150V 最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month 最大 高电源电压范围： 3V 至2

10、2V课程设计说明书 第 6 页OP07 的引脚分布如下图所示： 图 2.4 引脚图OP07 芯片引脚功能说明： 1 和 8 为偏置平衡(调零端)，2 为反向输入端，3 为正向输入端，4 接地，5 空脚 6 为输出，7 接电源+。OP07 放大电路的电路原理图如下所示：图 2.5 电路原理图此次课程设计的放大电路主要是为了将霍尔电流传感器输出的电压值与 AD 模块的基准电压相匹配。由于 ACS712 输出的电压的线性范围为 0.5V-4.5V，而 AD 模块的基准电压设为 0.5V 和 4.5V 是不容易实现的，这对电路的要求很高。如果采用减法器课程设计说明书 第 7 页的放大电路，将 0.5V

11、-4.5V 输出转化为 0-5V 输出，就可以很好的避免这个问题，而且易于实现。ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器,它有 8 路模拟开关，地址锁存与译码器、比较器，8 位开关树形 A/D 转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其他一些电路构成。因此 ADC0809 可处理 8 位模拟量输入，且有三态输出能力，即可与各种微处理器相连，也可单独工作，输入、输出与 TTL 兼容。其引脚图如下：图 2.6 引脚图ADC0809 引脚功能如下： ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装。 IN0IN7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。

12、 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START：AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC：AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）3。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入课程设计说明书 第 8 页个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 ADC0809 的电路原理图如下：IN31IN42IN53IN64IN

13、75ST6EOC7D38OE9CLK10VCC11VREF+12GND13D114D215VREF-16D017D418D519D620D721ALE22C23B24A25IN026IN127IN228ADC0809ADC0809GNDVCCGNDSTEOCEOCLKADDCAIN1-1STP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7GND图 2.7 电路原理图根据 ACS712 的数据手册可知，ACS712 的灵敏度 66mV/A，而 ADC0809 的电压输出范围为 0-5V，量化单位 =5256V=15.625mV 小于 ACS712 的输出灵敏度，即用8 位的 AD

14、C 在转换精度上可以满足需要.2.3 控制电路AT89C51 单片机最小系统由 AT89C51 单片机及其外围电路组成，是数字霍尔电流表系统的核心。AT89C51 单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程 ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89C51 单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用是为 ADC0809 提供时钟信号、形成必要的时序、进行数据计算以及控制LCD 字符的显示。AT89C51 单片机各个引脚分布如图所示：S1SW-PB10UC2Cap Pol22155KR1BRes Pack231410KR1CRes Pack2G N DV CCRSTX11

15、1.0592MHZ33PC1Cap33PC3CapGNDX2X1课程设计说明书 第 9 页图 1 图 2图 3图 2.8 单片机引脚图图 1 为单片机的晶振电路，图 2 为单片机的复位电路，图 3 为单片机的引脚分布及各引脚的接口，单片机采用 5V 供电。D1 为单片机上电电源指示灯，P2.7 为报警指示灯的接口，P2.6 为报警蜂鸣器的接口，P0.0-P0.7 为显示器 LCD1602 的 8 位数据接口，X1，X2 为晶振电路的接口，与晶振电路相连。P3.0P3.7 与 ADC0809 的 8 位数据输出口相连，采集 AD 后的数字信号，P1.0、P1.1、P1.2 为 LCD 的控制端口

16、。P1.3P1.7为 ADC0809 的控制端口。RST 为单片机的复位端口，与复位电路相连。2.4 声光报警电路当测量的电流超过电流表的量程时，声光电路将进行声光报警，同时在显示界面显示提示语句，提醒操作人员及时进行处理，避免系统长时间工作在超量程情况下，课程设计说明书 第 10 页影响系统的性能和使用寿命。声光报警电路由一个红色的 LED 灯和蜂鸣器构成。电路原理图如下所示：图 2.9 声光报警电路2.5 显示电路 本次课程设计的显示电路部分采用 LCD1602 液晶进行显示。1602 液晶也叫1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个 5X7 或

17、者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。它具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点，常用于袖珍式仪表和低功耗应用系统中。其引脚分布如下图所示图 2.10 引脚图1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚：VSS 为电源地 第 2 脚：VDD 接 5V 电源正极 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时4131KR1DRes Pack2LEDD2LED0VCCQ19013LS1Speaker1161KR4ARes Pack2VCCGNDBEEP课程设计说明书 第 11 页对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使

18、用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度） 。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6 脚：E(或 EN)端为使能(enable)端。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据端。 第 1516 脚：空脚或背灯电源。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。1602LCD 的特性：+5V 电压，对比度可调。 内含复位电路。 提供各种控制命令 ,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。 有 80 字节显示数据存储器 DDRAM。

19、内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM。 8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM。在本系统中的电路原理图如下所示：123456789P2排排 1kVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7图 2.11 电路原理图2.6 电源电路电源是整套系统工作的基础，要实现温度的精确测量与显示跟一个合适的稳定的电源是密不可分的，由系统组成可知，系统要正常工作需要一个稳定的+5V 电源，用来给测温电桥，单片机，显示模块，AD 模块供电，要实现信号的放大还需要给放大模1KR2RPot1234567891011121314P1LCD1602P0

20、.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7RSRWENGNDVCCGND课程设计说明书 第 12 页块提供稳定的+9V ,-9V 电源。电源模块的电路原理图如下所示：220uFC2220uFC3104C5104C6VoutVinREFVR2LM7805GNDVinVoutGNDVR1LM7809VoutVinGNDVR3LM7909D1T1Trans Cupl220uFC1104C4220uFC8104C10220uFC7104C9GND220V12V+9V5V-9V图 2.12 电源电路图由原理图可知，220V 交流电经过变压，整流，滤波后分成两个支路，一路经过滤波后输入

21、LM7809，另一路进过滤波后输入 LM7909（C1、C7 分别为 7809 和 7909 的输入滤波电容） ，两路的输出经过滤波（C2 和 C8 分别为滤波电容） ，去高频耦合（C5和 C10 为去耦电容）后分别提供+9V，-9V 稳定电压，其中路经 LM7809 的支路，输出后又经 LM7805 稳压输出+5V 电源，通过上述的电压变化可以达到电路的需求。常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的 79系列。顾名思义 ，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有 901

22、3 样子的 TO-92 封装。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6V，7909 表示输出电压为负 9V。7805 和 7809 的封装与管脚图如图 1 所示，7909 的封装与管脚图如图 2 所示课程设计说明书 第 13 页图 2.13 管脚图在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚

23、至损坏。散热片总是和接地脚相连。这样在 78*系列中，散热片和脚连接，而在 79*系列中，散热片却和脚连接。78*系列的稳压集成块的极限输入电压是 36V，最低输入电压比输出电压高 3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为 9-15V 之间。7909 的参数如下图所示：表 2 7909 参数课程设计说明书 第 14 页3 数字霍尔电流表系统软件设计3.1 软件总体流程设计软件设计采用 c 语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。3.2 系统软件实现原理 按照本系统的要求，需要将采集

24、到数字信号还原成最初的电流值，并显示。根据 ADC0809 的特性，ADC0809 输入的模拟量 VIN 和输出的数字量 D 之间的关系为： D=( Vin Vref()28(Vref(+)-Vref(-)=64Vin-32 另外 Vin=Vout 所以 ADC0809 输出的数字量 D 和被检测电流 I P 间有如下的关系：D=( 128Ip)30+128 即被检测电流与 AD 转换后的数字量间建立了一一对应的关系，当被检测的电流为一 30A 时 D=0；当被检测的电流为 0A 时，D=128；当被检测的电流为 30A 时，D=256。3.3 系统程序构建霍尔数字电流表系统软件部分采用模块化

25、设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模块、中断检测模块、延时处理模块、数据处理模块、显示模块，其软件系统的主程序实现流程如下图所示：课程设计说明书 第 15 页YESNO图 3.1 流程图开始调用初始化模块调用数据处理子程序采集中断子程序中获得的 AD 转换后的数据调用显示子程序结束超过测量范围了吗？声光报警课程设计说明书 第 16 页参考文献1方佩敏 新编传感器原理M.北京:电子工业出版社，19922顾仁明 实用电工及电气设备M.济南:山东科学技术出版社，19853吴道悌 非电量电测技术M.西安:西安交通大学出版社，20004殷勤业 自动检测和仪表中的共性技术M.北京:清华大学出版社，20

26、005张 毅 自动检测技术及仪表M.北京：化学工业出版社，20046孙育才 MCS 一 51 系列单片微型计算机及其应用M.南京:东南大学出版社 20007单永祥 传感器的原理与设计基础及其应用M北京：国防业出版社 20038赵负国 现代传感器集成电路M.北京：人民邮电出版社 20029赵继文 传感器与应用电路设计M.北京：科学出版社 200310强锡富 传感器普通高等教育机电类规划教材M.北京：北京械工业出版社 2002课程设计说明书 第 17 页附录一 电路原理图课程设计说明书 第 18 页附录二 源程序代码课程设计说明书 第 19 页#include unsigned char t,m,

27、s,x,ior,cn; /电子表的各个位信号 x 显示字位置控制 unsigned int foat,i; / 6 位有效数字 eg：4.56845 unsigned char ior; unsigned char a5=0,0,0,0,0; /注意 5 个数数组内是 5 而不是 4 sbit start=P34; /启动 AD sbit OE=P37; /启动输出数据 sbit EOC=P33; /转换结束 sbit CLK=P36; /AD 始终模拟 bit Recdat; code unsigned char ledcod=0 x7e,0 x12,0 xbc,0 xb6,0 xd2,0

28、xE6,0 xee,0 x32,0 xfe,0 xf6; code unsigned char ledcod1=0 x7f,0 x13,0 xbd,0 xb7,0 xd3,0 xE7,0 xef,0 x33,0 xff,0 xf7;/带小数点的字形码 /*- 定时器初始化子程序 -*/ void Init_Timer0(void) TMOD |=0 x02; TH0=0 xd1; TL0=0 xd1; /定时 0.05ms EA=1; ET0=1; TR0=1; /*- 串口初始化子程序 -*/ void InitCom(void) /初始化串口 SCON|=0 x50; /0101 0000

29、B，工作方式 1,8 位 UART，波特率可变，允许接收 TMOD|=0 x20; /T1 工作于方式 2 自动重装 TCON|=0 x40; /定时器 1 开始计数 TR1=1 TH1=250; /T1 计数初值 波特率为 4800 TL1=250; RI=0;TI=0; /清发送接收标志 ES=1; / 开串口 /*- 课程设计说明书 第 20 页 显示子程序 -*/ void display(unsigned char num) switch(num) case 0: ior=foat/10000; /3 a0=ior; P1=ledcod1ior; P0=0 x7e; x+; brea

30、k; case 1: ior=(foat-10000*a0)/1000; P1=ledcodior; a1=ior; /5 P0=0 xfd; x+; break; case 2: ior=(foat-10000*a0-1000*a1)/100; P1=ledcodior; a2=ior; /3 P0=0 xfb; x+; break; case 3: ior=(foat-10000*a0-1000*a1-100*a2)/10; P1=ledcodior; a3=ior; /1 P0=0 xf7; x+; break; case 4: 课程设计说明书 第 21 页 ior=foat-10000*a0-1000*a1-100*a2-10*a3; /6 P1=ledcodior; a4=ior; P0=0 xef; x+; break; case 5: ior=foat-10000*a0-1000*a1-100*a2-10*a3; /6 P1=ledcodior; P0=0 xdf; x+; break; default: break; /*- 串口发送 - */ void ComOut(void) /