電流檢測設(shè)計

1、華北科技學(xué)院課程設(shè)計報告目錄一緒論11.1概述11.2霍爾傳感器的發(fā)展趨勢2二整體設(shè)計方案2三硬件電路的設(shè)計33.1傳感器模塊33.1.1電流傳感器的工作原理33.1.2ACS712簡述43.1.3傳感器電路43.2A/D轉(zhuǎn)換模塊53.2.1ADC0804簡述53.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路53.3數(shù)碼管顯示模塊63.3.1MC14511BCP的工作原理63.3.2數(shù)碼管的工作原理63.3.3數(shù)碼管電路63.4電源電路模塊73.4.1電源設(shè)計73.4.2電源電路73.5復(fù)位模塊73.6時鐘模塊8四 系統(tǒng)的軟件設(shè)計84.1電流檢測裝置軟件程序流程圖94.2系統(tǒng)各程序設(shè)計94.2.1定時器計數(shù)程序94.

2、2.2外部中斷程序104.2.3初始化MCU程序114.2.4ADC啟動、讀取、轉(zhuǎn)換程序114.2.5霍爾傳感器ACS712的計算函數(shù)程序124.2.6數(shù)碼管顯示程序134.2.7主程序14五結(jié)論與展望16六心得體會17七附錄18八參考文獻(xiàn)21基于霍爾傳感器的電流檢測模塊設(shè)計一 緒論1.1 概述近幾年來，單片機已逐步深入應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門以及人們生活的各個方面。各種類型的單片機也根據(jù)社會的需求而相繼開發(fā)出來。單片機是一個器件級的計算機系統(tǒng)，實際上它是一個微控制器或微處理器。由于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應(yīng)用到所有的電子系統(tǒng)中。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存的可編程可插除只讀

3、存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)的擦除多次，該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能的8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。1.2 霍爾傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的產(chǎn)業(yè)分類眾多，其中霍爾傳感器市場是第三大傳感器產(chǎn)品市場。在汽車行業(yè)、電腦、手機以及新興消費電子領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業(yè)設(shè)計企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國，霍爾傳感器在中國市場的年銷售額將保持20%到30%的高速增長。于此同時，霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)仍在不斷完善中，可編程霍爾傳感器、智

4、能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場前景。在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛的應(yīng)用。例如，在翻蓋或是滑蓋手機中，用來檢測手機翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器；再比如，在電腦鍵盤上，實現(xiàn)光標(biāo)移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動門窗等需要電機的部件中也有霍爾傳感器應(yīng)用?？梢哉f，我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。由于霍爾傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域不同，因此各個市場對其的要求也不盡相同。手機市場對霍爾傳感器的主要要求包括尺寸、功耗和可調(diào)節(jié)的閾值。在工業(yè)和汽車應(yīng)用方面，霍霍爾傳感器首先要滿足工業(yè)或汽車認(rèn)證對器件的要求，例如安全性、穩(wěn)定性和溫度范圍要達(dá)到相應(yīng)的級別。二 整

5、體設(shè)計方案由于AT89C51片內(nèi)沒有A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，需要在片外擴展A/D轉(zhuǎn)換接口。系統(tǒng)選用ADC0804，ADC0804的DB0DB7分別接單片機的P0.0P0.7，AGND、DGND、CS、VIN-接地，RD、WR分別接單片機的RD、WR端，中斷請求INTR接單片機的P2.0口，VIN+接采集信號輸入。調(diào)整變阻器HAUBLAN20K，使輔助參考端VREF腳得到2.56V標(biāo)準(zhǔn)電壓。在CLKIN、CLKOUT端設(shè)計RC振蕩電路，由于ADC0804頻率限制在100Hz1460kHz，通過對頻率公式F=1/(1.1RC)的計算，選擇電阻R=20k，電容C=200pF，即可得到符合設(shè)計

6、要求的頻率。數(shù)碼顯示模塊主要顯示單片機的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等。系統(tǒng)顯示部分采用共陰極8段數(shù)碼管，選用CMOS BCD七段字符顯示譯MC14511BCP作為它的驅(qū)動器件，并在譯碼器和數(shù)碼管之間接入分壓電阻保護(hù)數(shù)碼管，防止電壓過高燒壞數(shù)碼管。數(shù)碼顯示部分采用動態(tài)掃描顯示方法，4個MC14511BCP譯碼器共用4條數(shù)據(jù)線。其中LE端為片選端，置低電壓時譯碼器被選中可以讀數(shù)據(jù)，置高電壓時譯碼器暫存，保持顯示數(shù)據(jù)不變。A、B、C、D為數(shù)據(jù)輸入端，分別接單片機的P1.0P1.3口；個片選端分別接單片機的P1.4P1.7口。系統(tǒng)由一個主控系統(tǒng)和一個檢測模塊組成。被測電流通過ACS712芯片時，該芯片利用霍爾效應(yīng)

7、，將被測電流轉(zhuǎn)換成05V的DC模擬信號，該模擬量經(jīng)過A/D裝置變成數(shù)字量。A/D采樣處理模塊主要是對從ADC0804采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成對二進(jìn)制數(shù)據(jù)BCD碼的轉(zhuǎn)換，并且通過P1口輸出顯示，P1口德低四位輸出BCD碼，高四位為數(shù)碼管的片選信號。ADC0804與AT89C51的連接采用循環(huán)掃描方式。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0804向CPU發(fā)出一個信號，CPU對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行處理，使數(shù)碼管顯示當(dāng)前的電流值。三 硬件電路的設(shè)計3.1 傳感器模塊3.1.1 電流傳感器的工作原理磁補償式的工作原理是磁場平衡，即主回路電流IP在聚磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場，通過一個次級線圈的電流產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補償，使霍爾

8、器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)，具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時，在導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集，感應(yīng)霍爾器件使之有一個信號輸出，這一信號驅(qū)動相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一補償電流IS。這一電流通過多匝繞組產(chǎn)生的磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小，當(dāng)IP與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與IS與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時，IS不再增加，霍爾器件起到指示零磁通的作用。此時可以通過IS來測IP，當(dāng)有變化時，平衡受到破壞，霍爾器件就有信號輸出，即重復(fù)過程重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出，經(jīng)放大后，立即有相應(yīng)的電

9、流流過次級繞組，對失衡的磁場進(jìn)行補償。從磁場失衡到再次平衡所需的時間不到1us。這是一個動態(tài)平衡的過程。3.1.2 ACS712簡述ACS712器件主要由靠近芯片表面的銅制電流通路和精確的低置線性霍爾傳感器電路組成。被測電流流經(jīng)的通路（引腳1和2,3和4之間的電路）的內(nèi)電阻通常是1.2m,具有較低的功耗。流經(jīng)銅制電流通路的電流所產(chǎn)生的磁場，能夠被片內(nèi)的霍爾IC感應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化為比例的電壓。通過將磁性信號盡量靠近霍爾可以消除芯片由于溫度傳感器來實現(xiàn)器件精確度的最優(yōu)化。精確的成比例的輸出電壓由穩(wěn)定斬波型低偏置BiCMOS霍爾集成電路提供，該集成電路在出廠時已經(jīng)進(jìn)行了精確的編程。穩(wěn)定斬波技術(shù)是一種新技

10、術(shù)，它給片內(nèi)霍爾器件和放大器提供最小的偏置電壓，該技術(shù)幾乎可以消除由溫度所產(chǎn)生的誤差。引腳名稱功能及描述1和2IP+被測電流輸入或輸出3和4IP-被測電流輸入或輸出5GND信號地6FILTER外接電容7VIOUT模擬電壓輸出8VCC電源電壓表3-1 ACS712的引腳及功能3.1.3 傳感器電路圖3-1 傳感器電路3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊3.2.1 ADC0804簡述ADC0804是一個早期的A/D轉(zhuǎn)換器，因其價格低廉而在要求不高的場合得到廣泛應(yīng)用。ADC0804是一個8位、單通道、低價格的A/D轉(zhuǎn)換器。主要特點是:.模數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約100us；.方便的TTL或CMOS標(biāo)準(zhǔn)接口；.可以滿足差分電

11、壓輸入；.具有參考電壓輸入端；.內(nèi)含時鐘發(fā)生器；.單電源工作時輸入信號范圍是0V5V；.不需要調(diào)零等。 3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖3-2 A/D轉(zhuǎn)換電路3.3 數(shù)碼管顯示模塊3.3.1 MC14511BCP的工作原理本設(shè)計選用MC14511作為驅(qū)動芯片，以8端數(shù)碼管作為顯示器件的顯示模塊作為系統(tǒng)的輸出顯示。為了數(shù)碼管的安全，我們在數(shù)碼管與驅(qū)動芯片之間加1K歐姆的電阻作為限流電阻，保證驅(qū)動芯片以及數(shù)碼管的安全運行。3.3.2 數(shù)碼管的工作原理在智能儀器儀表中廣泛使用各種顯示器來顯示數(shù)據(jù)文字或者是圖形畫面，其中最長用的顯示器是LED（發(fā)光二極管顯示器），因為它具有驅(qū)動電路簡單，配置靈活方便，功耗

12、低，響應(yīng)速度快，可靠性高以及易于實現(xiàn)而且價格低廉等優(yōu)點。LED顯示實際上是由若干發(fā)光二極管構(gòu)成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或者是一個筆畫就發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。 3.3.3 數(shù)碼管電路圖3-3 數(shù)碼管電路3.4 電源電路模塊3.4.1 電源設(shè)計系統(tǒng)的供電電源由220V-9V變壓器提供?？紤]到變壓器體積較大，且220V屬于較高電壓，容易影響板子芯片的正常工作，我們選擇變壓器獨立外接的處理辦法。變壓器的二次側(cè)輸出電壓為交流9V電源，經(jīng)過整流橋得到脈動的直流電源，經(jīng)過濾波電容，穩(wěn)壓管L7805，以及二次濾波電容的處理，得到復(fù)合系統(tǒng)要求的+5V電源，為裝置的各部分

13、電路供電，保證系統(tǒng)的正常運行。3.4.2 電源電路圖3-4 電源電路3.5 復(fù)位模塊51系列的單片機復(fù)位信號由RESET引腳輸入，高電平有效，當(dāng)RESET引腳輸入高電平并保持兩個機器周期以上時，單片機內(nèi)部就會執(zhí)行復(fù)位操作。為了保證復(fù)位的成功，一般復(fù)位引腳RESET上只要出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)了可靠復(fù)位。在這里我選擇手動復(fù)位的方式。當(dāng)按下復(fù)位按鈕后，電容C通過10K電阻迅速放電，使RESET迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鈕松開后，電容通過R和內(nèi)部下拉電阻放電，使RESET逐漸恢復(fù)為低電平，從而完成一次成功的復(fù)位。圖3-5 復(fù)位電路3.6 時鐘模塊單片機的時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需要的

14、控制信號的時間順序。單片機的時鐘信號用來為芯片內(nèi)部各種微操作提供時間基準(zhǔn)，也就是說在指令執(zhí)行時，CPU首先要到程序存儲器中取出所需要執(zhí)行的指令碼，然后進(jìn)行譯碼，并且產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令的執(zhí)行操作。在這里我選擇了用外部時鐘的方式產(chǎn)生時鐘信號來控制單片機的工作時序。圖3-6 時鐘電路四 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 電流檢測裝置軟件程序流程圖開始初始化MCU，包括定時器，外部中斷初始化ADC0804啟動ADC0804等待ADC轉(zhuǎn)換完畢讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，計算得電流值電流值擴大100倍，便于顯示16進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成BCD碼驅(qū)動數(shù)碼管顯示電流值結(jié)束否是圖4-1 軟件程序流程圖4.2 系統(tǒng)各程序

15、設(shè)計4.2.1 定時器計數(shù)程序T1和T0是兩個獨立的定時器/計數(shù)器，相互之間不會影響。至于定時和計數(shù)功能，則由寫入TMOD（定時器/計數(shù)器方式控制寄存器）的值來確定當(dāng)前定時器是定時功能還是計數(shù)功能。因此在程序中，可以設(shè)置標(biāo)志位TR0和TMOD配合，當(dāng)TR0是1時，定時器就執(zhí)行計數(shù)功能，開始計數(shù)。定時器需要計數(shù)16位數(shù)。因此選擇模式為1，即設(shè)置TMOD=0x01。程序如下：#include”public.h ”u8 Cnt100ms ;u8 Cnt1s ;void Timer0ISR(void) interrupt 1TL0 = (u8)(Interva10neMs) ;TH0 = (u8)(I

16、nterva10neMs>>8) ;ADC0804Start() ;/啟動ADC轉(zhuǎn)換 void Timer0Initial(void)TMOD |= 0x01 ;/設(shè)置定時器0為模式1TL0 = (u8) Interva10neMs ;/初始化低8位TH0 = (u8) (Interva10neMs>>8) ; /初始化高8位ET0 = 1 ;/允許定時器0中斷TR0 = 1 ;/啟動定時器0，開始計數(shù) 4.2.2 外部中斷程序中斷能使處理器在運行過程中對外部事件發(fā)出的中斷請求及時地進(jìn)行處理，處理完成后又立即返回斷點，繼續(xù)進(jìn)行處理器原來的工作。系統(tǒng)對ADC0804轉(zhuǎn)換結(jié)

17、果執(zhí)行外部中斷，當(dāng)系統(tǒng)未能讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時繼續(xù)返回ADC080等待轉(zhuǎn)換完畢。中斷程序如下：#include”public.h”extern u8 ADCResult ;void INT0ISR(void) interrupt 0 /外部中斷0服務(wù)函數(shù)ADCResult = ADC0804ReadADResult() ; /取得ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果 void INT0Initial(void)IT0 =1 ;/指定外部中斷0下降沿觸發(fā)EX0 = 1 ;/使能外部中斷4.2.3 初始化MCU程序根據(jù)系統(tǒng)要求，單片機要有外部中斷、定時器計數(shù)，因此初始化單片機時要初始化外部中斷以及定時器來實現(xiàn)上述功能。#in

18、clude”public.h”void MCUInitial(void)GlobalInterruptDisable() ;/禁止全局中斷INT0Initial() ;/初始化外部中斷Timer0Initial() ;/初始化Timer0GlobalInterruptEnable() ;允許全局中斷4.2.4 ADC啟動、讀取、轉(zhuǎn)換程序ADC0804的啟動：ADC0804中的A/D轉(zhuǎn)換器在滿足一定條件時開始一個轉(zhuǎn)換過程，這個條件就是：在實現(xiàn)片選WR=0的前提下，引腳上出現(xiàn)一個上升沿。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀?。涸贏/D轉(zhuǎn)換結(jié)束以后，ADC0804的RD引腳將給出一個低脈沖信號，如果把這個引腳直接連接

19、到單片機的外部中斷引腳，這個低脈沖將引起單片機的中斷，單片機可以在中斷處理程序中讀取ADC0804的轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC0804的啟動、讀取程序如下：#include”public.h”void ADC0804Start(void)iADC0804WR = 0 ;iADC0804WR = 1 ;/上升沿啟動ADC0804轉(zhuǎn)換void ADC0804Initial(void)iADC0804WR = 1 ;iADC0804RD = 1 ;/初始化狀態(tài)為WR，RD均為高電平u8 ADC0804ReadADResult(void)u8 ADTemp ;iADC0804RD = 0 ;/低電平為度數(shù)狀態(tài)A

20、DTemp = iADC0804DATA ;/讀取數(shù)據(jù)口iADC0804RD = 1 ;return ADTemp ;/返回ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果4.2.5 霍爾傳感器ACS712的計算函數(shù)程序計算函數(shù)如下：#include”public.h”Float ACS712ReadCurrent(u8 ADCValue)return (float)30*(ADCValue-127)/101 ;4.2.6 數(shù)碼管顯示程序系統(tǒng)選用4個共陰極數(shù)碼管來分別顯示檢測電流的十位、個位、小數(shù)點后一位、小數(shù)點后兩位，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼并在數(shù)碼管中顯示出來。數(shù)碼管顯示程序如下：#include”public.h”u8

21、 DisplayBCD4 ;u8 code SelectTable = 0x70,0xB0,0xD0,0xE0 ;void HEXTOBCD(u16 Hex)DisplayBCD3 = Hex/1000 ;DisplayBCD2 = Hex%1000/100 ;DisplayBCD1 = Hex%100/10 ;DisplayBCD0 = Hex%10 ;void DisplaySevenSegment(u16 DisplayData)static u8 Sel ;u8 P0Temp ;HEXTOBCD(DisplayData) ;/轉(zhuǎn)換成BCD碼P0Temp = P0 ;P0Temp &am

22、p;= 0xF0 ;P0Temp |=DisplayBCDSel ;/要顯示的BCD碼P0Temp &= 0x0F ;P0Temp |=SelectTableSel ;/選中一只數(shù)碼管P0 = P0Temp ;if(Sel>3)Sel = 04.2.7 主程序主程序用來調(diào)用上述子程序，包括初始化單片機、初始化ADC0804等。#include”public.h”u8 ADCResult ;float Current ;u16 CurInt ;void PowerOnInirial(void)ADC0804Initial() ;/初始化ADC0804void main(void)M

23、CUInitial() ;/初始化MCUPowerOnInitial() ;/初始化上電默認(rèn)狀態(tài)while(1)Current = ACS712ReadCurrent(ADCResult) ;CurInt = Current*100 ;/電流值乘以100以便顯示DisplaySevenSegment(CurInt) ;/顯示電流值五 結(jié)論與展望霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的，它有兩種工作方式，磁平衡式和直放式。霍爾式傳感器的優(yōu)點有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點。霍爾式電流傳感器是一種先進(jìn)的、能隔離主回路和電子控制電路的電檢測原件。它綜合了互感器

24、和分流器的所有優(yōu)點，同時又克服了互感器和分流器的不足?？梢詼y量任意波形的電流，如直流、交流和脈沖波形等。也可以對瞬態(tài)峰值進(jìn)行測量，其副邊電路可以忠實的反應(yīng)原邊電流的波形。這一點普通互感器無法與其相比。霍爾電流傳感器模塊在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)于1%，該精度適合任何波形的測量，而普通互感器的精度一般為3%5%，且值適合50Hz的正弦波形。并且它的動態(tài)響應(yīng)時間小于7us，跟蹤速度高于50A/us，為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)，一般的普通互感器的動態(tài)響應(yīng)時間為1020us，這顯然已經(jīng)不適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。本設(shè)計使用的是有線的霍爾式電流傳感器進(jìn)行設(shè)計的，應(yīng)用也比較廣泛，但是在某些應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制，因為有些應(yīng)用領(lǐng)域需要用到無線技術(shù)，所以說，可以在本設(shè)計的基礎(chǔ)之上加上無線技術(shù)，如ZigBee等，實現(xiàn)信號的