基于霍尔传感器的电流检测系统设计

基于霍尔传感器的电流检测系统设计

0隔离测量的测量有很多方法可以识别电流。最常用的方法是采用阻滞性输流器、传感器或霍尔传感器。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50Hz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。1霍姆传感器检测电路电流基于霍尔传感器的电流检测系统以AT89C51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。1.1a/d转换接口选用AT89C51单片机作为电路控制的核心。AT89C51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128B的RAM数据存储器,4KB的ROM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。AT89C51单片机片内的4KBROM只读存储器为FLASH存储器。该存储器采用CMOS工艺和ATEMEL公司的高密度非易失性存储器技术,与工业标准的MCS-51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105次。1.2an3331选用霍尔元件AN3503和磁线圈构成霍尔电流检测电路。AN3503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。图2中,AN3503的1脚接稳压器输出的+5V电源,2脚接地,3脚为电压输出端。在电源为+5V时,霍尔元件静态输出电压为2.5V,并有较高的灵敏度。磁场N极从背面接近AN3503,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0～5V,而霍尔元件的输出电压为2.5V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AN3503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=μnI(1)B=μnΙ(1)式中:B为磁感应强度,T;μ为磁导率,H/m;n为线圈压数;I为被测电路电流,A。AN3503霍尔传感器电压输出关系式:Uout=0.025B+2.5(2)Uout=0.025B+2.5(2)从式(1)、(2)可以得出:μn=(Uout−2.5)/(0.025I)(3)μn=(Uout-2.5)/(0.025Ι)(3)则被测电路电流与霍尔传感器输出电压间的关系:I=(40Uout+100)/(μn)(4)Ι=(40Uout+100)/(μn)(4)所以必须测得磁线圈的参数μn。对被测电路进行测试时,令检测电路电压为5V,电阻为500Ω,得到检测电流I为0.01A,而在这时测得AN3503的输出电压Uout=2.62V,根据式(3)可得到μn的值为4.8。由式(1)、(2)、(3)可以求得AN3503的输出电压Uout和被测电流I的关系:I=(40Uout+100)/4.8(5)Ι=(40Uout+100)/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辅助参考端vref脚提取由于AT89C51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ADC0804转换器,如图3所示。ADC0804的DB0～DB7分别接单片机的P0.0～P0.7,AGND、DGND、CS¯¯¯¯CS¯、Vin(-)端接地,RD¯¯¯¯¯RD¯、WR¯¯¯¯¯¯WR¯端分别接单片机的RD¯¯¯¯¯RD¯、WR¯¯¯¯¯¯WR¯端,中断请求端INTR¯¯¯¯¯¯¯¯¯ΙΝΤR¯接单片机的P2.0口,Vin(+)端接采集信号输入。调整变阻器HAUBLAN20K,使辅助参考端Vref脚得到2.56V标准参考电压。在CLKIN、CLKOUT端设计RC振荡电路,由于ADC0804频率限制在100～1460kHz,通过对频率公式f=1/(1.1RC)的计算,选择电阻R3为20k,电容C1为200pF,即可得到符合设计要求的频率。1.4数码显示部分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CMOSBCD七段字符显示译码器MC14511BCP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MC14511BCP译码器共用8条数据线。其中LE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P1.0～P1.3口;4个片选端分别接单片机的P1.4～P1.7口。2a/d采样处理模块系统软件采用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ADC0804采集来的数据进行处理,完成对二进制数向BCD码的转换,并且通过P1口输出显示,P1口的低4位输出BCD码,高4位为数码管的片选信号。ADC0804与单片机系统AT89C51的连接采用循环扫描的方式。当A/D转换结束后,