基于霍爾元件的大電流測定儀的設計

金雪塵，黃亮，張杰

(常州工學院理學院，江蘇常州213002)

基于霍爾元件的大電流測定儀的設計

金雪塵，黃亮，張杰

(常州工學院理學院，江蘇常州213002)

利用霍爾元件設計一種能測量交、直流大電流的儀器，其基本測量原理是：通過測量被測電流的磁場大小來顯示被測電流的大小，磁場大小通過霍爾傳感器轉換成霍爾電壓，再經過單片機處理后在液晶屏上顯示。電流測量范圍為0.1～500 A，測量精度達3位有效數字。

霍爾元件；電流；磁場；單片機

TH702

A

1 問題的提出

以往測量電流的儀器有指針式電流表、數字式電流表和鉗形表等多種，指針式電流表和數字式電流表能測量交、直流電流，測量范圍從微安級到十幾安培，但無法測量大電流物體，而鉗形表雖然最大可以測量幾百安培的交流電流，但它不能測量直流電流。為此本文介紹一款利用霍爾元件及其他電路設計制作的可以測量交、直流電流的儀器，其電流測量范圍為0.1～500 A，測量誤差不大于1%，若改變霍爾傳感器型號，測量范圍還可進一步擴大。

2 設計的基本思路

本儀器通過測量被測電流產生的磁場來確定被測電流的大小，被測電流產生的磁場是通過測量該處霍爾元件上的霍爾電壓得到，由于霍爾電壓通常較小(毫伏級)，為了提高測量精度和效率，霍爾電壓經過霍爾傳感器自帶的放大器放大后輸出到單片機A/D端口，經單片機采樣處理后，通過液晶屏顯示被測電流。[1-2]

大電流測定儀由測量霍爾電壓的霍爾元件、接收并處理數據的STC12C5A60S2的單片機以及外圍顯示控制模塊等組成。設計原理如圖1。

圖1 設計原理框圖

3 硬件設計

3.1霍爾元件部分

本儀器是通過霍爾元件測量被測電流的磁場來顯示被測電流大小。被測電流大小轉換為磁場大小，磁場大小轉換為霍爾電壓大小的原理如圖2。霍爾傳感器外形如圖3。圖2中，被測電流可繞行在磁鋼上，繞行匝數根據被測電流大小確定，電流小，繞行匝數可以適當增加；電流大，繞行匝數可以適當減少，繞行匝數最少時可讓電流直接在磁鋼中間穿過，此方法與鉗形表測量電流的方法相當。

圖2 霍爾傳感器原理圖

磁鋼下部鑲嵌一個霍爾元件，圖2中，若磁場方向是左右方向，霍爾片前后面通IS電流，則在霍爾元件的上下方向可測得霍爾電壓UH。

需要說明的是：此霍爾傳感器自帶放大器，使原來霍爾元件的輸出電壓由毫伏級最大可增加到5 V左右，這樣的電壓可直接輸到單片機的A/D口。[3]

圖3 霍爾傳感器外形圖

3.1.1 霍爾傳感器性能測試

為了研究霍爾元件的被測電流和相應輸出的霍爾電壓之間是否有良好的線性關系，在下列條件下對被測線圈的輸入電流和霍爾傳感器的輸出電壓進行一系列測量，在正式測量數據前可對此霍爾傳感器的電壓放大倍數進行一定的校正和定標。

為了在實驗室的普通工作電流條件下能夠顯示測量大電流的情況，本測試在磁鋼上繞250匝線圈，這樣當輸入電流為1 A時，相當于250 A電流直接在磁鋼中間穿過時產生的磁場；當最大輸入電流為2 A時，相當于500 A電流直接在磁鋼中間穿過時產生的磁場。測試結果如表1所示，測試條件如下：

傳感器型號為EKH500EKA；電流測量范圍為0～2 A(相當于0～500 A)；供電為-15 ～+15 V；頻帶寬度為DC 20 kHz；繞組為250匝；測量儀器為FLUKE15B。

表1 測試數據

3.1.2 霍爾傳感器U-I圖

由上述實驗數據繪出的霍爾元件輸入電流和輸出電壓關系曲線如圖4所示，由圖4可以看出，線性關系非常好，由此可以得到輸入電流和輸出電壓的關系為Uout=2.445Iin。

3.2處理器模塊及外圍電路圖

3.2.1 處理器

STC12C5A60S2系列單片機是STC生產的單時鐘機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10

圖4 霍爾傳感器輸入電流與輸出電壓關系

位A/D轉換(25萬次/s)，針對電機控制，強干擾場合。處理器及外圍電路如圖5。

(a)晶體振蕩

(b)復位電路

(c)最小系統

3.2.2 ADC控制電路

設計中的A/D轉換器采用STC12C5A60S2單片機內置ADC，該ADC是10位逐次逼近型模擬數字轉換器。其A/D轉換口在P1口(P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D轉換器，速度可達250 kHz(25萬次/s)。上電復位后P1口為弱上拉型I/O口，可通過軟件設置將8路中的任何一路設為A/D轉換，不需作為A/D使用的口可繼續作為I/O口使用。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行，轉換結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。本設計可測量8通道電壓值，測量范圍為0～5 V。[4]它可完成溫度檢測、電池電壓檢測等工作。

3.2.3 電壓測量

工作原理：霍爾傳感器輸出電壓經過放大接入單片機P1.7，經A/D轉換將模擬的電壓量轉換為與它相對應的數字量[5]，取10位A/D的高9位，A/D取值范圍為0～512，微小調節霍爾元件的放大倍數，使輸入500 A電流時，A/D轉換器正好輸出500，如此A/D數據和輸入電流可以直接對應。這樣使500 A對應A/D的500，0 A對應A/D的0,然后單片機將被測電流顯示在LCD上，當待測電流高于(低于)設定的上(下)限時，單片機輸出報警信號。

3.3液晶顯示LCD電路

JM12864C-2 LCD液晶顯示屏尺寸為62 mm×44 mm，分辨率為128×64,如圖6所示。該液晶顯示屏可以顯示漢字和圖形，它內置128 個字符(8×16點陣)、64×128點陣顯示RAM(GDRAM)，其主要技術參數和顯示特性如下：LCD 由5 V 供電，采用并行接口通信；D/I、R/W、E 分別為數據/指令、讀寫和使能信號，DB0～DB7 為并行數據輸入端；工作溫度為-20～+70 ℃。

圖6 液晶顯示屏電路圖

4 系統軟件設計

系統軟件使用C語言編程，其主函數程序如下：

void main(void) //主函數

{

Delay(1); //開始延時，等待外部模塊上電初始化

InitRam();

Init12864(); //初始化12864液晶

Clr12864(); //液晶顯示初始化

InitCom(); //UART串口初始化

InitADC();

InitTimer0(); //定時器初始化

Delay(10); //延時

while(1) //主程序循環

{

if(flag_keyscan) //按鍵掃描

{

flag_keyscan=0; //清標志位

KeyScan(); //掃按鍵

}

if(flag_readAD) //讀A/D數據

{

flag_readAD=0; //清標志位

adv10=GetADC(7); //讀第7通道的A/D數據

adv10&=0x3ff; //數據格式化

ad_addup+=adv10>>1; //取9位 0-511后累加

if(ad_counter++==7) //多次測量取平均

{

ad_counter=0; //次數計數器

ad_average=ad_addup>>3;

//取8次平均

ad_addup=0x0000; //累加和清零

if(ad_average>=highI || ad_average

{

flag_alarm=1; //置位報警標志

{

else

{

flag_alarm=0; //清報警標志

}

}

}

if(flag200ms) //200mS標志到

{

flag200ms=0; //清標志位

Show_SXCLXX(highI,ad_average,

lowI); //顯示刷新

if(flag_alarm) //如果報警

{

LEDR_IVT(); //紅燈閃爍

Beep(50); //發報警音

}

else //否則，不報警

{

LEDR_OFF(); //關報警燈

}

if(after_press_time_count)

{

after_press_time_count--;

}

if(after_press_time_count==1)

{

flag_press_timeup=1;

}

}

if(flag_setIHL)

{

flag_setIHL=0;

//SetIHL();

}

if(flag_sendADtocom && !flag_setIHL)

//如需發送ADC數據到串口

{

flag_sendADtocom=0; //清發送標志

SendCurrentADvalueToCom();

//調用發送程序，發送時關中斷

}

if(flag_press_timeup)

{

runstate=0;

flag_press_timeup=0;

Beep(200);

}

}

}

5 結語

采用霍爾元件設計大電流測量儀能為大電流測量特別是直流電大電流的測量找到一種較好的方法。該霍爾傳感器用磁芯材料作磁路，借鑒了鉗形表測量電流的思路，使用霍爾元件測量電流的磁場要比電磁感應法更精確，測量范圍更廣，使用單片機對霍爾電壓進行A/D轉換，對數據進行分析和處理，并用LCD顯示器顯示被測量電流值，使數據處理的每一個環節都有較高的精度。用此方法測量電流，測量范圍更大，方法簡便，測量過程中儀器不必接入電路，測量過程更安全。

[1]嚴世勝，鐘承堯.單片機直流數字電壓表的設計[J].海南師范大學學報：自然科學版，2010(1)：44-46.

[2]宋敬衛，付廣春.基于STM32的多路電壓采集研究[J].電子世界，2013(6)：55-56.

[3]李漢軍.直流電壓的單片機測量電路設計[J].儀表技術，2001(1)：48-49.

[4]金雪塵，黃亮.用脈寬調制技術實現三基色LED燈的調色[J].常州工學院學報，2010(3)：16-19.

[5]徐博寧，司江英.基于單片機的頻率、電壓監測系統設計[J].現代電子技術，2008(21)：67-69.

責任編輯：張秀蘭

DesignofHighCurrentTesterBasedonHallElement

JINXuechen，HUANGLiang，ZHANGJie

(School of Science,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

In this paper,a high current instrument is designed to measure AC/DC with Hall element,whose basic principle of the measurement is: showing the size of the measured current by measuring the size of magnetic field caused by measured current.The size of magnetic field is converted into the Hall voltage through the Hall sensor,and displayed on the LCD screen after a SCM processing.The current measurement ranges from 0.1A to 500A and measurement accuracy is up to effective 3-digit figures.The instrument provides the measurement of high DC with a better way.

Hall element；electric current；magnetic field；SCM

2014- 04-16

金雪塵(1963— )，男，副教授。

1671- 0436(2014)03- 0018- 05