基于单片机的霍尔电流检测装置硬件开发.doc

绪论 电流检测有多种方法，最通用的方法是采用阻性分流器、互感器或霍尔传感器。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50 Hz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。 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电源电路、单片机电路、数据采集电路、数码显示电路、电流检测电路，系统硬件框图如图1所示。图1 系统硬件框图第一章 硬件原理图的设计1.1电源电路图2 电源模块如图2所示.系统的供电电源由220V-9V变压器提供.考虑到变压器体积比较大,且220V属于较高电压,容易影响板子芯片的正常工作.我们选择变压器独立外接的处理办法. 变压器二次侧的输出电压为交流9V电源,经过整流桥得到脉动的直流电源,经过滤波电容,稳压管78L05,以及二次滤波电容的处,得到符合系统要求的+5v电源，为装置各部分电路供电，保证各装置的正常工作。1.2电流检测电路选用ACS712作为电流检测传感器.ACS7i2是Allegro公司新推出的一种线性电流传感器，该器件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5 S)，50千赫带宽，总输出误差最大为4，高输出灵敏度(66mVA185 mVA)，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。1.2.1 引脚描述ACS712采用小型的SOIC 8 封装，其引脚分布如图3所示，采用单电源5V供电。各引脚的功能介绍如表l所示，其中引脚1和2、3和4均内置有保险，为待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。 表1 ACS712各引脚功能描述引脚名称功能描述1和 2IP+被测电流流输入或输出3和4IP-被测电流流输入或输出5GND信号地6FILTER外接电容7VIOUT模拟电压输出8VCC电源电压 图3 ACS712引脚图1. 2. 2 ACS712内部结构及工作原理图4 ACS71 2的工作原理图ACS71 2的工作原理如图4所示，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12m欧姆，具有较低的功耗。被测电流通路与传感器引脚(引脚58)的绝缘电压21kVRMS，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)iI-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，ACS71 2的响应时间比一般的器件缩短了两倍以上，非常适合保护及高速应用。特性曲线与典型应用表2 ACS712的特性曲线上表为ACS712 3OA 输出电压与检测电流关系的特性曲线，在检测范围30A内，传感器的输出电压和检测电流成正比，几乎不受温度的影响。1. 2. 3 ACS712在原理图中的运用图5 ACS712在原理图中的运用如图5所示，被测电流通过ACS712芯片时，该芯片利用霍尔效应，将被测电流转换成05V DC模拟信号。1.3 数据采集电路 由于AT89C51片内没有AD转换，根据系统设计要求，需要在片外扩展AD转换接口。本设计选用ADC0804转换器. ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。 以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。 第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1） 第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1） 第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0） 第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1） 第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0） 第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1） 第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1） 第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0） 这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表的是模拟输入电压Vin +.1.3.1 ADC0804的管脚图： 图6 ADC0804的引脚图各个管脚的作用： D0-D7：八位数字量输出端； CLK：为芯片工作提供工作脉冲，时钟电路如图所示，时钟频率计算方式是：fCK=1/(1.1RC） CS：片选信号； WR：写信号输入端； RD：读信号输入端； INTR：转换完毕中断提供端； 其他管脚连接如图，是供电和提供参考电压的管脚输入端芯片参数:工作电压：+5V，即VCC=+5V。 模拟输入电压范围：0+5V，即0Vin+5V。 分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。 转换时间：100us（fCK=640KHz时）。 转换误差：1LSB。 参考电压：2.5V，即Vref=2.5V。 1.3.2 ADC0804外围电路以及与单片机的的链接图 图6 ADC0804外围电路图 调整变阻器HAUBLAN20K，使辅助参考端VREF脚得到25 V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1001 460 kHz，通过对频率公式F=1(11RC)的计算，选择电阻R=20 k，电容C=200 pF，即可得到符合设计要求的频率。 图7 ADC0804与单片机的的链接图如图7所示，ADC0804的DB0DB7分别接单片机的P00PO7，AGND、DGND、CS、VIN- 端接地，RD、WR端分别接单片机的RD、WR端，中断请求端INTR接单片机的P20口，VIN+ 端接采集信号输入。 14单片机的最小系统本设计采用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128 B的RAM数据存储器，4 KB的ROM程序存储器，4个I0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AD转换。根据系统设计要求，需要在片外扩展AD转换接口。AT89C51单片机片内的4 KB ROM只读存储器为FLASH存储器。该存储器采用CMOS工艺框中动态显示，将采集到的数据保存到数据库文件方便和快捷、系统界面友好、性能稳定和可扩展性强中，并通过以太网络传输数据，实现远程测控功能等优点，具有较高的实际应用价值。和ATEMEL公司的高密度非易失性存储器技术，与工业标准的MCS一51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100000次。1.4.1管脚说明图 8 AT89C51 引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 表3 P3口备选功能表管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1)P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。1.4.2单片机的复位电路 51系列的单片机的复位信号有RST引脚输入,高电平有效.当RST引脚输入高电平并保持两个机器周期已上时,单片机内部就会执行复位操作.为了保证复位的成功,一般复位引脚RST上只要出现10ms以上的高电平,单片机就实现了可靠复位.在这里我们选择手动复位的方式.当按下复位按扭开后,电容c通过10k电阻迅速放电,是RST迅速变为高电平,复位按钮松开后,电容通过R和内部下拉电阻放电,使RST断逐渐恢复为低电平.从而完成一次成功地复位. 图 9 单片机的复位电路1.4.3单片机的时钟电路 单片机的时序就是CPU在执行指令时所需要的控制信号的时间顺序.单片机的时钟信号用来为芯片内部各种微操作提供时间基准,也就是说,在执行指令时,CPU首先要到程序存储器中取出所需要执行的指令码,然后对指令码进行译码,并又时序不见产生一系列控制信号去完成指令的执行操作.在这里.我们选择了用外部时钟的方式产生时钟.来控制单片机的工作时序.图 10 单片机的时钟电路1.5 数码显示电路本设计选用MC14511BCP作为驱动芯片,以七段数码管管作为显示器件的显示模块最为系统的输出.为了数码管的保险器件.我们在数码管与驱动芯片之间加1K 欧姆的电阻作为限流电阻,保证驱动芯片以及数码管的安全运行.数码显示电路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7段数码管，选用CMOSBCD七段字符显示译MCl4511BCP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。数玛显示部分采用动态扫描显示方法，4个MCl4511BCP译码器共用4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，置高电压时来被选中，译码器暂存，保持所显示数据值不变.A、B、C、D为数据值输入端，分别接单片机的P1OP1. 3口；4个片选端分别接单片机的P14P1. 7口。1.5.1 MC14522BCP管脚与工作原理MC14511BCP是一个由二进制编码转换到十进制的七段锁存/译码器/驱动器.它的结构是一个采用互补金属氧化物半导体（MOS）增强模式器件和双极输出驱动器的单一的整体结构。该电路提供的功能是将4个8421二进制编码的位存储锁存器的十进制数据转换到七段译码器，它具有输出驱动的能力,可以直接带动LED显示。它可以用来与七段发光二极管（发光二极管），白炽灯，荧光灯，气体放电，或液晶读数直接或间接连接。应用包括多种仪器上（例如，计数器，数字电压表，显示等。）计算机/计算器显示驱动，驾驶舱显示驱动程序，并各种时钟，手表，和定时器的使用。该芯片的电源电压范围从3伏至18伏.驱动能力较低功率负荷低. 在这里我们采取的是直接强制性的是逻辑电平BI=1 LT=1 即是芯片的两个辅助使能端强制的是芯片处于待工作状态,一旦片选信号由低脉冲发生时候,芯片能快速的进入工作状态. 图 11 MC14511BCP引脚图表4 MC14511BCP工作时的真值表1.5.2 七段数码管引脚与工作原理在单排年级应用系统和智能化仪器仪表中广泛使用各种显示器来显示数据文字或者是图形画面，其中最常用的显示器是LED(发光二级管显示器)，因为它具有驱动电路简单，配置灵活方便，功耗低响应速度快，可靠性高以及易于实现而且价格低廉等优点。LED 显示实际上是由若干发光二级管构成的，当发光管导通时，相应的一个点或者是一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。在单片机应用系统中通常使用的是七段的LED。通常的七段LED显示器有八个发光二极管，其中七个发光二极管构成七段字形“8”，一个发光二极管构成小数点。在这里我们选用的是共阴极的LED显示器。即发光管的阴极共地，当某个发光管的样机为高电平时候，即逻辑“1”时，发光二极管点亮。 图12 发光管接入电路的具体接法表5 七段LEDDE 段选码1.6各电路部分的综合运用图12 系统总体结构图如图12所示，被测电流通过ACS712芯片时，该芯片利用霍尔效应，将被测电流转换成05V DC模拟信号，该模拟量经A/D装换变成数字量。AD采样处理模块主要是对从ADC0804采集来的数据进行处理，完成对二进制数据BCD码的转换，并且通过Pl口输出显示，Pl口的低4位输出BCD码，高4位为数码管的片选信号。ADC0804与AT89C51的连接采用循环扫描的方式。当AD转换结束后，ADC0804向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，使数码管显示当前的电流值。1. 7 系统的元件清单 表6 系统的元件清单名称参数个数单片机AT89C511霍尔电流传感器ACS7121模数转换ADC08041七段数码管DS4数码管驱动芯片14511BCP4电阻1K32电阻20K电位器1电阻16K1电阻20K1电阻10K2电容200P1电容100U3电容100P 5开关SW-PB1晶振12M HZ1二极管40041整流桥2w1变压器220v-9v1稳压电源78L051插座Header 101 第二章 PCB板的设计 规划好电路板后，接着就是要装入网络表和元件。网络表和元件是同时装入的。网络表与元件的装入过程，实际上就是将原理图设计的数据装入印制电路板的设计系统PCB的过程。这里有两个方法可以实现： 1、原理图编辑器中执行菜单命令 设计-Update PCB Document 2、PCB编辑器中执行菜单命令 设计-Import Changes From2. 1 元件的自动布局 Protel DXP提供了强大的元件自动布局的功能，可以通过程序算法自动将元件分开，放置在规划好的电路板电气范围内。元件自动布局的实现方法可以执行菜单命令 工具-放置元件-自动布局。图 13 PCB自动布局2.2 元件的手工布局与调整元件的布局要考虑以下几个方面的问题：（1） 元件布局应便于用户的操作使用。（2）尽量按照电路的功能布局。（3）数字电路部分与模拟电路部分尽可能分开。（4）特殊元件的布局要根据不同元件的特点进行合理布局。 （5）应留出电路板的安装孔和支架孔以及其他有特殊安装要求的元件的安装位置等。 2.3 自动布线 自动布线是指Protel DXP 2004程序根据用户设定的有关布线参数和布线规则，按照一定的算法，依照网络表所指定的连接关系，自动在各个元件之间进行连线，从而完成印刷电路板的布线工作。 2.3.1设置自动布线参数 在进行自动布线之前必须先设置好DXP自动布线器的参数，如果参数布置合理，那么印制板布线的布通率几乎是百分之百，从而大大减少的手工调整的工作量。如果参数设置不当，可能导致自动布线失败。 通过执行菜单命令 设计-规则 设置各参数，如下图14 所示。图 14 PCB参数设置面板 2.3.2设置布线规则 Routing类主要用来设置自动布线的布线规则，其中每个参数都要仔细地设定，该类参数对自动布线器成功起到决定性的作用。 自动布线的参数包括布线层面、布线优先级别、布线的宽度、布线的拐角模式、过孔孔径类型、尺寸等，这些参数设定后，自动布线就会依据这些参数进行自动布线。因此，自动布线的成败在很大程度上与参数的设置有关。 2.3.2.1设置布线宽度（Width ） 在印制板设计中，接地网络的导线与一般连接导线不一样，需要尽量的粗。 在这里我选择了VCC 与GND，以及与板子相连的被测电流信号的外部导线也加粗的处理。图 15 布线规则设置 2.3.2.2选择布线工作层面 双击Routing Layers选项，该项用于设置布线的工作层面以及各个布线层面上的走线的方向。因为我所选择的是双面板，故在这一项选项中我选择双面布线。图16 布线工作面的选择2.3.2.3设置布线优先级别（Routing Priority）布线优先级别，是指程序允许用户设定各个网络布线的优先顺序。在这里我选择将我自己特别定义的有关信号输入以及电源VCC GND的优先级设定为较高层级。通用的选择较低优先图17 布线的优先级设定 2.3.2.4 进行自动布线 待一切转准备工作做好以后，就进行正式的自动布线。在PCB编辑器状态下，选择 自动布线-全部对象 确定。完成整个布线过程。 图18 PCB自动布线过程 图19 完成布线的PCB板图 至此，PCB板的所有制作过程结束，整个设计过程结束。结语经过来年个多月的努力.我的设计-基予霍尔传感器的电流检测装置硬件开发终于告一段落.在整个设计过程中,出现过很多的难题,尤其是在调试硬件的过程中.但是最终都在老师同学的帮助下顺利的完成.通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情,需要有系统的思维方式和方法,对待要解决的问题,要耐心,要善于运用已有的资源来充实自己. 致 谢在本论文的写作过程