霍尔电流表课程设计

霍尔电流表课程设计摘要本文介绍了一种基于单片机的霍尔电流表的设计。该设计主要由四个模块组成：霍尔电流感器模块，A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。传感器模块ACS712采集信号，A/D转换主要由芯片ADC0808来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89C52来完成，其负责把ADC0808传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还控制着ADC0808芯片工作。该系统的霍尔电流表比较简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。此霍尔电流表可以测量+20A的1路模拟电流值，并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。目录1引言………………………………………………………………………………错误!未定义书签。2系统设计总体方案………………………………………………………………13硬件电路设计……………………………………………………………………13.1霍尔传感器模块…………………………………………………………13.2A/D转换模块……………………………………………………………43.3单片机部分………………………………………………………………113.4复位电路和时钟电路……………………………………………………133.5LED模块…………………………………………………………………错误!未定义书签。3.6总电路……………………………………………………………………164程序设计…………………………………………………………………………错误!未定义书签。4.1程序设计总方案…………………………………………………………174.2系统子程序设计…………………………………………………………175仿真………………………………………………………………………………错误!未定义书签。5.1软件调试…………………………………………………………………错误!未定义书签。5.2显示结果及误差分析……………………………………………………20结论…………………………………………………………………………………错误!未定义书签。参考文献……………………………………………………………………………22附录程序代码………………………………………………………………………2311.引言传感器作为自动化仪器的触角担负着采集信息的重要任务，其中霍尔传感器以它的体积小、结构简单等优点在自动化生产中得到了广泛的应用。从原理上讲霍尔传感器能够测量与磁场、电场相关的物理量或能转换成这些参数的物理量，比如电流。在工业、汽车、商业和通信系统中，为了确保设备安全和人身安全，经常需要对设备的某些关键节点进行电流检测。新型线性电流传感器ACS712能有效克服传统检测方法存在的缺点，为工业、汽车、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠的精密解决方案。2.系统设计框图系统主要有数据采集，数据处理，数据显示部分。3.硬件电路设计3.1霍尔传感器部分霍尔传感器属于整个系统的数据采集部分，它将待测的电流量或者磁场场强转化为电压量。3.1.1霍尔传感器的检测原理3.1.1.1霍尔效应霍尔传感器ACS712采集信号ADC0808模数模块AT89C52单片机处理数据四位数码管显示2一个N型半导体薄片，长度为L，宽度为a，厚度为d，在垂直于该半导体薄片平面的方向上施加磁感应强度为B的磁场，若在其长度方向上通以电流I，根据N型半导体的导电原理，自由电子沿着与电流I相反的方向运动。在磁场中自由电子由于受洛伦兹力FL的作用，正负电荷将分别沿垂直于磁场和电流的方向向导体两端移动，并聚集在导体两端形成一个稳定的电动势UH，这就是霍尔电动势，或称之为霍尔电压。这种现象称为霍尔效应。霍尔电压的大小：UH=KHIB式中：KH为霍尔元件的霍尔常数I为流经霍尔元件的电流B为施加的磁感应强度3.1.1.2霍尔传感器的工作原理由霍尔电压的公式可知：对于一个成型的霍尔传感器来说，霍尔常数KH是一个固定的常数，因而UH与BI成正比例关系，只要通过测量电路测出霍尔电动势的大小，在B和I两个参数中，如果一个参数已知，就可以求出另一个参数，因而任何可以转换成电流或磁场强度的未知量均可利用霍尔元件来测量。转换成B和Ｉ的乘积的未知量也可以进行测量。3.1.2ACS712型集成霍尔传感器ACS712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5us)，50KHz的带宽，总输出误差最大为4％，高输出灵敏度(100mV／A～185mV／A)，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点，主要应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护等，特别是那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其它昂贵绝缘技术的应用中。ACS712采用小型的SOIC8封装，其引脚分布如图1所示，采用单电源5V供电。各引脚的功能介绍如图2所示。其中，引脚1和2、3和4均内置有保险，为待3测电流的两个输入端，当检测直流电流时，l和2、3和4分别为待测电流的输入端和输出端。引脚功能图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1.2mΩ，具有较低的功耗。被测电流通路与传感器引脚(引脚5～8)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。稳定斩波技术是一种新技术，它给片内的霍尔元器件和放大器提供最小的偏置电压，该技术几乎可以消除芯片由于温度所产生的输出漂移。ACS712内含一个电阻RF(INT)和一个缓冲放大器，用户可以通过FITER引脚(第6脚)外接一个容CF与RF(INT)组成一个简单的外接RC低通滤波器，由于内部缓冲放大器能消除因芯片内部电阻和接口负载分压所造成的输出衰减，所以外接的RC低通滤波器不会影响信号的衰减，且可进一步降低输出噪音并改善低电流精确度。此外，ACS712的响应时间比一般的器件缩短了两倍以上，非常适合保4护及高速应用。3.1.3电路原理图霍尔传感器将Ip+和Ip-用排针引出用以接待测电流，在FILTER引脚与GND之间接一电容与其片内电阻构成低通滤波器。在芯片的线性范围内，Ip+与Ip-间加直流或交流电流时，VIOUT输出正比于输入电流的霍尔电压。将得到的霍尔电压接到单片机的AD口，由单片机进行数据的处理。3.2A/D转换模块现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要5比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用[1]。3.2.1逐次逼近型A/D转换器原理逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量[5]。其原理框图如图2所示：图2逐次逼近式A/D转换器原理图3.2.2ADC0808主要特性ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0808设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域[5]。ADC0808主要特性:8路8位A/D转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器ADC电压比较器输入电压输入数字量6128μs；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0-+5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW[6]。ADC0808的外部引脚特征ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3所示。图3ADC0808引脚图下面说明各个引脚功能:IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。地址输入控制（4条）：ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示：表1ADC0808通道选择表地址码对应的输入通道CBA000011100110010101010IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN67111IN7START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC:EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。D1-D8：数字量输出端，D1为高位。OE：OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。Vcc、GND:Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF-与GND连接在一起.CLK:时钟输入端。3.2.3ADC0808的内部结构及工作流程ADC0808由8路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，8位开关树型A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图4所示。8图4ADC0808的内部结构其中：（1）8路模拟通道选择开关实现从8路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较。（2）地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时，锁存从ADDA、ADDB、ADDC3根地址线上送来的3位地址，译码后产生通道选择信号，从8路模拟通道中选择当前模拟通道。（3）比较器，8位开关树型A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路组成8位A/D转换器，当START信号有效时，就开始对当前通道的模拟信号进行转换，转换完成后，把转换得到的数字量送到8位三态锁存器，同时通过引脚送出转换结束信号。（4）三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量，当OE信号有效时，把转换的结果送出。ADC0808的工作流程为：（1）输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中，经地址译码器从8路模拟通道中选通1路模拟量送给比较器。（2）送START一高脉冲，START的上升沿使逐次寄存器复位，下降沿启动A/D转换，并使EOC信号为低电平。（3）当转换结束时，转换的结果送入到输出三态锁存器中，并使EOC信号回到9高电平，通知CPU已转换结束。（4）当CPU执行一读数据指令时，使OE为高电平，则从输出端D0-D7读出数据。3.3单片机部分3.3.1AT89C51性能AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片