基于霍爾元件的電流測試

成都理工大學信息科學與技術學院 康書寧 李 博

基于霍爾元件的電流測試

成都理工大學信息科學與技術學院 康書寧 李 博

本文介紹了霍爾元件的工作原理及特點，利用霍爾元件檢測電流信號，檢測到的微小信號經放大、A/D轉換后送入單片機進行數據處理，并在液晶屏上顯示電流值。

霍爾元件；電流；測量；A/D轉換

1 引言

利用霍爾元件進行電流測試的原理是霍爾效應，該測量方法的優勢在于它是一種非接觸式的測量方法，測量過程中不改變被測電路本身的特性，使測量更為準確。霍爾元件測量電流可采用開環和閉環兩種形式。閉環是在鐵芯上纏繞一個被測線圈和一個補償線圈，當兩個線圈的磁場相互抵消時，補償電流與被測電流相等。閉環的方式主要用于測量微小電流，精度較高。本文采用開環的測量方法。

2 系統設計

本設計用霍爾元件檢測電流信號，輸出霍爾電壓經AD芯片采樣、量化、編碼后得到數字量送入單片機處理，并在LCD12864上顯示。本設計的AD芯片采用8位分辨率的ADC0832，單片機用STC89C51，系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

3 硬件電路

3.1 電流檢測電路

本設計采用的霍爾元件型號為HG-302C，其線性度很好，最大輸入電壓為10V；最大輸入功率為150mW；工作溫度為-40℃～+125℃。利用該霍爾元件檢測電流信號的電路如圖2所示：

圖2 電流檢測電路

霍爾元件工作時在1、3兩個引腳通以一定的電流，當霍爾元件處在被測電流所產生的磁場中，在2、4兩個引腳之間產生感應電動勢，即輸出一定值的電壓。根據霍爾元件的特性，其輸入電流最大值為15mA。該電路最上面是定電流支路，采用穩壓二極管使從電源到三極管基極的電壓固定為5.1V，當R2的電阻調至1KΩ，流入霍爾元件1腳的激勵電流約為5mA。

當霍爾元件通以激勵電流I時，若磁場強度為零時，霍爾元件的實際輸出電壓并不為零，該空載的電勢又稱為不等位電勢，解決方法是將2腳的輸出連在R5上，通過調節R5使磁場強度為零時的輸出電壓為零，補償不等位電勢。補償后的電壓連接運放進行負反饋放大，其中R8用來調節放大倍數。

3.2 A/D轉換電路

本設計A/D轉換采用常見的A/D轉換芯片ADC0832，它具有8位分辨率，支持雙通道輸入。由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，本電路將DO和DI并聯在一根數據線上使用。本設計中只需一個通道，將CH0與電流檢測電路的輸出Vo相連，電路圖如圖3所示。

圖3 A/D轉換電路

4 軟件設計

軟件程序主要包括初始化程序、A/D采樣處理模塊及LCD12864數據顯示。初始化程序主要是對LCD進行初始化清除顯示，A/D采樣處理模塊主要進行采樣數據的讀取，并將該數字量轉化為對應的電流值并放入數組中。最后進行數據顯示，首先向LCD12864寫入命令確定數據顯示的位置，再向其寫入數據顯示測得的電流值。

表1 被測電流及對應的霍爾電壓

5 系統調試

（1）分別測量三極管各點及霍爾元件的1、3、4點的電壓是否與理論值相同。

（2）測量流入1腳的電流是否符合霍爾元件輸入電流的要求，即小于15mA。

（3）改變被測電流的值，測量電流檢測電路的輸出電壓Vo是否有變化，若有明顯變化，記錄不同被測電流值對應的運放的輸出電壓值，如表1所示。

通過MATLAB進行數據擬合，得到的擬合函數表達式：y=1.92*x+0.08337。

放大后的電壓經ADC0832轉換后，由單片機進行數據處理，根據上述擬合函數將電壓值x轉換為對應的電流值y，在LCD12864上顯示。

6 總結

該設計的結果較為準確，在LCD12864上顯示的值與通過電流表檢測到的值相差較少。經測試，該系統可以檢測到的電流范圍為0.03A到1.174A，其絕對誤差為10mA，滿量程誤差約為1.2%。

對系統性能進行測試時發現由于使用了半導體器件，系統受溫度影響較大，可以在電路中加入溫度補償電路進行改進。另外加入濾波電路濾除高頻成分，也可使測量更為準確。

[1]米哲濤,曹雷．霍爾元件在電流傳感器中的應用[J]．機車電傳動,2011(01): 32-35+39．

[2]金雪塵,黃亮,張杰．基于霍爾元件的大電流測定儀的設計[J]．常州工學院學報,2014(03):18-22．

[3]李富安．閉環霍爾電流傳感器的設計與測試[D]．華中科技大學,2013．