（控制理论与控制工程专业论文）基于霍尔元件的智能化电度表的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济迅速发展，各行各业用电需求越来越大，导致电力供应相当紧张。实 施分时电价是调节供需矛盾、节约能源的发展趋势。传统的机械式电度表已不能满足分 时电价政策的需要，因此开发寿命长、分时计费、多功能高科技型电度表成为必然要求。 本文基于霍尔效应测量功率的方法进行了智能化电度表的设计，分析了利用霍尔效 应测量功率的原理，并基于单片机设计了智能化电度表的分时计费模块、远程通讯模块 和数字显示模块等，给出了电度表的硬件电路设计和程序模块。所设计的智能化电度表 能够准确的实现分时计价功能，并且结构简单、性能可靠，具有很好的实用价值和现实 意义。 关键词：霍尔传感器，分时计费，智能电度表，单片机 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r y , t h ed e m a n df o rt h ee l e c t r i cp o w e ri s b e c o m i n gg r e a t e ri na l lw a l k so fl i f e ，a n dr e s u l t i n gi n e l e c t r i cp o w e rs u p p l ys h o r t a g e s t i m e - s h a r i n ga c c o u n t i n gw i l lb et h ei r e n d so fa l l e v i a t i n gt h ei m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n d d e m a n da n ds a v i n gt h ee n e r g ys o u r c e s t h em e c h a n i c a lw a t t - h o u rm e t e rd o e s n tf i t t i m e - s h a r i n ga c c o u n t i n g , s oi t b e c o m e sn e c e s s a r yt od e v e l o pl o n g - l i v e d , t i m e - s h a r i n g a c c o u n t i n ga n dh i g h - t e e hw a t t - h o u rm e t e r t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em e t h o dt od e s i g na ni n t e l l i g e n tw a t t - h o u rm e t e rb a s e do n h a l le f f e c t , a n a l y s e st h ep r i n c i p l eo f p o w e r 刀】8 畜譬订物翱td e s i g n st i m e - s h a r i n gm e a s u r e m e n t m o d u l e 、l o n g - d i s t a n c ee n m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i g i t a ld i s p l a ym o d u l e , a n dd e v e l o p sh a r d - w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r eo fi n t e l l i g e n tw a t t - h o u rm e t e r t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h ei n t e l l i g e n t w a t t - h o u rm e t e rc a na c c u r a t e l ya c h i e v et h ef u n c t i o no ft i m e - s h a r i n ga c c o u n t i n g , t h e c o n f i g u r a t i o no f w h i c h i ss i m p l ea n dp e r f o r m a n c e so f w h i c hi sd e p e n d a b l e ri sf u l lo f v a l u e o f p r a c t i c a l i t ya n ds o c i e t y l i uh u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv p r o f d u a nq u a n s h e n g k e yw o r d s ：h a l l 螂l s o r , t i m e - s h a r i n ga c c o u n t i n g , i n t e l l i g e n tw a t t - h o u rm e t e , s i n g l e - c h i pc o m p u t e r 华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济迅速发展，各行各业用电需求越来越大，导致电力供应相当紧张。实 施分时电价是调节供需矛盾、节约能源的发展趋势。传统的机械式电度表已不能满足分 时电价政策的需要，因此开发寿命长、分时计费、多功能高科技型电度表成为必然要求。 本文基于霍尔效应测量功率的方法进行了智能化电度表的设计，分析了利用霍尔效 应测量功率的原理，并基于单片机设计了智能化电度表的分时计费模块、远程通讯模块 和数字显示模块等，给出了电度表的硬件电路设计和程序模块。所设计的智能化电度表 能够准确的实现分时计价功能，并且结构简单、性能可靠，具有很好的实用价值和现实 意义。 关键词：霍尔传感器，分时计费，智能电度表，单片机 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r y , t h ed e m a n df o rt h ee l e c t r i cp o w e ri s b e c o m i n gg r e a t e ri na l lw a l k so fl i f e ，a n dr e s u l t i n gi ne l e c t r i cp o w e rs u p p l ys h o r t a g e s t i m e - s h a r i n ga c c o u n t i n gw i l lb et h et r e n d so fa l l e v i a t i n gt h ei m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n d d e m a n da n ds a v i n gt h ee n e r g ys u u r c e s t h em e c h a n i c a lw a t t - h o u rm e t e rd o e s n tf i t t i m e s h 撕n ga c c o u n t i n g ，s o i tb e c o m e s n e c e s s a r yt od e v e l o pl o n g l i v e d ，t i m e s h a r i n g a c c o u n t i n ga n dh i 曲一t e c hw a t t - h o u rm e t e r t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em e t h o dt od e s i g na ni n t e l l i g e n tw a t t - h o u rm e t e rb a s e do n h a l le f f e c t , a n a l y s e st h ep r i n c i p l eo f p o w e rm e a s u r m e n t ，d e s i g n st i m e - s h a r i n gm e a s n r e m e n t m o d u l e 、l o n g - d i s t a n c ee n m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i g i t a ld i s p l a ym o d u l e ，a n dd e v e l o p sh a r d - w a r ec i r c u l ta n ds o f t w a r eo fi n t e l l i g e n tw a t t - h o u rm e t e r t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h ei n t e l l i g e n t w a t t 。h o u rm e t e rc a n a c c u r a t e l ya c h i e v et h e f u n c t i o no ft i m e s h a r i n g a c c o u n t i n g ，t h e c o n f i g u r a t i o no f w h i c hi ss i m p l ea n dp e r f o l m a a n c e so f w h i c hi sd e p e n d a b l e i ti sf u l lo f v a l u e o f p r a c t i c a l i t ya n ds o c i e t y l i uh u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv p r o f d u m aq u a n s h e n g k e yw o r d s ：h a l l s e n s o r , t i m e - - s h a r i n ga c c o u n t i n g , i n t e l l i g e n t w a t t - h o u r m e t e r , s i n g l e - c h i pc o m p u t e r 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于霍尔元件的智能化电度表的设 计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：_ 二牡日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名：塑z 堡 e t 期：蛰霉：；：羔3 导师签名：骏熟垒 日期：塑坶 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章引言 进入2 1 世纪，随着我国经济的迅猛发展，能源短缺问题日渐显露，特别是电 力供应日趋紧张，工业用电和生活用电负荷的急剧增加，使得全国电力供需矛盾日 益尖锐，特别是东部沿海经济发达地区拉闸限电的现象时有发生，严重制约了当地 经济和社会的发展。实行分时电价的计费政策是解决电力供需矛盾，特别是缓解高 峰期用电紧张的一种简单可行的有效手段。 近几年，上海、武汉和北京等国内大中城市逐步推出分时电价政策，分时电价 的计费方式已在国内各大城市得到迅速推广。并且随着我国电业市场化改革，国家 电力公司体制改革、结构调整、厂网分开、独立核算和能源短缺、建设节约型社会 的需要等，也必将为复费率电能表提供广阔的发展前景。分时电价的基本方式是： 用户在电力负荷高峰时段用电时，价格高于其它时段的电价；在低谷时段用电时电 价则予以一定程度的下浮。分时计费智能电度表，正是一种按不同时段分别计量用 户用电情况的电能表。按照电力负荷的大小，一天2 4 h 分为用电的峰、平、谷等不 同时段，供电部门对不同时段的用电实行不同电价，用经济手段鼓励用户主动采取 避峰填谷的措施，从而使电力负荷曲线变缓，以提高发电设备的利用率，同时减小 由于负荷曲线变化太大而引起的不安全因素。2 0 世纪3 0 年代，国外就开展了电力 负荷控制方面的研究，证实了分时计费是一种经济有效的调节负荷曲线的方法。 1 2 电度表的发展历史 电能表白诞生至今已有1 0 0 多年，其发展大致经历了三个阶段：感应式电能 表、机电脉冲式电子电能表和全电子式电能表。 1 2 1 感应式电能表 感应式电能表的测量原理及不足0 1 如下： ( 1 ) 、基本结构 感应式电能表有两个线圈，分别绕在两个铁心上，一个线圈与负载并联，称为 电压线圈，产生的磁通九正比于电源电压；另一线圈与负载串联，称为电流线圈， 产生的磁通磊正比于负载电流。两个铁心之间放置一铝制转盘，另外还有支撑铝 盘的转轴、用作制动元件的永久磁铁、计数器等，如图1 1 所示 华北电力大学硕士学位论文 电庄( 土 图1 - 1 感应式电能表原理结构图 ( 2 ) 、感应式电能表的工作原理 利用金属铝转盘中的感应的电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用， 产生驱动力矩驱动铝盘旋转，累计消耗的电能，而且，作用在电压线圈两端的电压越 高，通过电流线圈的电流越大( 即单位时间的用电量p 越多) ，则驱动铝盘转动的力 矩肘转也越大。m 转= k 1 p 。铝盘旋转时，切割永久磁铁的磁通而在其内感应涡流； 此涡流与永久磁铁的磁场相互作用产生制动力矩。铝盘越转越快( 转速n 越大) ，感 应的涡流越大，与永久磁铁相互作用产生的制动力矩m 制也越大。m 制= k ：押。当 p 转动力矩与制动力矩大小相等时，置。p = k 2 万，则以= 导p = k p ，在给定的时间t 内 k 2 对上式积分，得该段时问内消耗的电能彳和对应的总转数，n = n t = k p t = 1 6 4 。 ( 3 ) 、感应式电能表的不足 精度受机械的制造工艺影响，精度低且一直难以提高；存在机械磨损，使表计 变慢；感应式机电一体化智能电度表虽然提供相应数字接口，但智能化程度不高， 只能记录转盘的旋转数，无法记录与之相对应的快速旋转和慢速旋转的时间；只能 够记录实时有功功率，用电量在不同的时段极不均衡，故不能实现根据时段、峰值 用电量监测来实行收费。 1 2 2 机电脉冲式电子电能表 机电一体式智能电度表是用感应式电度表作为基表，通过电子线路采集脉冲的 原理进行计量的电能表“儿”。一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原物理结 构，不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉 冲输出的智能表，使电子记数与机械记数同步。其计量精度一般不低于机械计度式 计量表，这种设计方案多用于老表改造。 机电脉冲式电子电能表主要由感应系测量机构、光电转换器、分频器和计数器 三大部分组成，如图1 2 所示。 2 华北电力大学硕士学位论文 图卜2 机电脉冲式电子电能表的工作原理 感应式测量机构的主要功能是将电能信号转变为转盘的转数。光电转换器的功 能是将正比于电能的转盘转数转换为电脉冲，此脉冲数也正比于被测电能，即应满 l 足关系：矽= = _ ，_ l l m n ，式中：形为被测电能，m 为转换后输出的总脉冲数， c、c 雄代表每输出一个脉冲转盘应转动的圈数，足是电能表常数。 1 2 3 全电子式电能表 ( 1 ) 电子式智能电度表的原理 全电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，它采用乘法器实现对电 功率的测量m ”，其工作原理如图1 - 3 所示被测的高电压“、大电流f 经电压变 换器和电流变换器转换后送至乘法器膨，乘法器肘完成电压和电流瞬时值相乘， 输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压“，然后再利用电压频率转 换器，将转换成相应的脉冲频率厶，即得到五正比于平均功率，将该频率分频， 并通过一段时问内计数器的计数，显示出相应的电能。 图1 - 3 全电子式电能表的工作原理 当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式，一种是用互感器采 样，另一种为直接采样。采用互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采 集用户的电压信号和电流信号；直接采样则是用热稳定性高的电阻分压网络来取得 电压信号，而用电阻温度系数非常小的锰铜片进行电流直接采样。 ( 2 ) 电子式智能电度表的不足 全电子式电能表计数器转动是靠脉冲驱动，按照表计的常数积累到一定脉冲 后，计数器字轮才向前驱动一个字。这种原理造成频繁停电的用户计量易丢失脉冲， 故不宜在频繁停电的农村用户中使用；电子式电能表利用互感器采样时，会引入较 3 华北电力大学硕士学位论文 大误差。 1 3 目前分时计费电度表的研究现状 早期生产的第一代石英钟控分时电能表，是由感应式电能表改造而成的，这种 电能表采用机械钟或石英钟作为控制时钟，将不同时段下的用电量通过传动机构记 录在不同的机械数码轮上。这种分时计量电能表的结构复杂，准确度较低，功能也 很单一，不能适应分时计费中的一些特殊要求，目前已基本淘汰停用。 第二代机电一体化结构的分时电能表。这种电能表采用1 0 级感应系电能表机 芯为基础，采用红外光电变换器，脉冲输出和中央处理器，单片机电路，使用附带 的键盘编程或者红外无线键盘来进行各种需求量、时钟、时段、双休日的设定，可 保护本月最大需求量、上月最大需求量和本月峰、平、谷最大需求量显示及存储。 带有脉冲输出及r s - - 2 3 2 串行通信口，便于数据远程传送与监控这种电能表虽然 基本实现了分时计费功能，但对表计的准确度和频率适应范围问题仍无能为力。为 此人们又开始寻求使用电子电路来对电能量进行测量。 第三代全电子结构的分时电能表。它是一种静止式无任何机械运动部件的固态 电能表，大都由电压互感器、电流互感器、高精度高速a d 变换器、电能计量电路、 实时时钟、数据存储器、大屏幕液晶驱动及显示器、数据通信接口、开关电源等模 块构成，精度常在1 0 级到0 5 级，可靠性好，易于实时记录，大部分型号均带有 预付费功能可供选用。采用带有预付费功能时，电量有电钥匙、i c 卡等输入，剩余 电量不足时，可根据用户负荷性选择输出音响及告警，显示电量不足等功能。具有 失压断流记录、r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 等标准通信接口，可远程定时抄录计 量数据、本月及上月最大需求量、峰、平、谷最大需求量、脉冲输出，监控通过密 码设定，方可读出与修改数据等。 1 4 本文研究的内容 当前电子式电能表大都利用互感器采样，即利用电压互感器和电流互感器分别 来采集用户的电压信号和电流信号，由于互感器的非理想性，使得变比和相位都存 在较大的误差，需要采用硬件或软件的方法补偿，从而增加了系统的复杂程度。而 本文要采用的利用霍尔效应测量电功率的方法则弥补了原有机械式、电子式仪表的 一些缺陷 8 1 9 o 霍尔传感器可以测量从直流到上百千赫兹的各种形状的交流电信号， 并且可以通过一个合适的测量电路，把功率转化成霍尔元件的磁通量和控制电流的 乘积，然后，根据霍尔元件输出电压的大小，便可以计算出功率值，简化了系统的 软、硬件复杂程度，同时，霍尔传感器的输出可与计算机接口，因此能应用于智能 化仪表中。 本论文研究的主要内容有： 4 华北电力大学硕士学位论文 一、根据霍尔元件的工作原理，设计出利用霍尔元件测量电功率的霍尔传感器， 根据霍尔元件传感器设计原理和性能指标，设计出所要利用的霍尔元件的材料、尺 寸，预测其能达到的效果；确定产生使霍尔元件工作的磁场的螺线圈。并针对霍尔 元件可能产生的误差进行补偿。 二、电度表的硬件系统设计，主要包括了单片机内部结构和外围电路，如：复 位、晶体振荡电路，显示电路，时钟电路、通讯电路等。针对霍尔传感器测量得到 的霍尔电动势信号微弱，只有2 0 m v 左右，所以设计了合理的放大电路进行放大、 调理。并设计了低通滤波器对霍尔电势的谐波分量进行滤波处理。 三、电度表软件部分设计，包括了主程序模块、时钟芯片程序模块、显示模块、 通信中断子程序模块、i c 卡读取中断子程序模块设计。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章霍尔传感器的设计 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方 便，功耗小，频率高( 可达i i h z ) ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污 染或腐蚀。并且霍尔线性器件的精度高、线性度好； 2 1 霍尔元件的相关概念及原理 2 1 1 霍尔元件的相关概念 霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的半导体器件，霍尔元件多采用n 型半导体 材料，目前最常用的霍尔元件材料有锗( g e ) 、硅( s i ) 、锑化铟( i n s b ) 、砷化铟( i n a s ) 、 砷化镓( g a a s ) 等半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，霍尔元 件的壳体一般是用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。如图2 - 1 所示 2 1 2 霍尔元件的工作原理 图2 - 1 霍尔元件外形 霍尔元件的工作原理“们“”是由于导体的霍尔效应。在一个型长度，、宽度w 、 厚度d 的半导体霍尔片相对两侧面通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场口， 则在半导体另两侧面会产生一个大小与控制电流，和磁场口相乘积成正比的电势 u 。即是霍尔电动势 u s = k h i b = r u 等 ( 2 一1 ) a 这一现象叫做霍尔效应，如图2 - 2 所示。 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 霍尔效应原理图 其中k x 为霍尔元件的灵敏度，r x 为霍尔系数 粕：土 ( 2 2 ) w 上式中n 为电子的浓度，q 为电子的电荷量。 2 1 3 霍尔元件的常用参数 霍尔系数( 又称霍尔常数) r s ：在磁场不太强时，霍尔电势差u 。与激励电流 ，和磁感应强度口的乘积成正比，与霍尔片的厚度d 成反比，即( ，。= r 。i b d ， 式中的如称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。另r h = p 即霍尔常数等于霍 尔片材料的电阻率p 与电子迁移率z 的乘积。 霍尔灵敏度k 。( 又称霍尔乘积灵敏度) ：霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍 尔片的厚度d 成反比，即足。= r h a ，它通常可以表征霍尔常数。 霍尔额定激励电流：当霍尔元件自身温升1 0 。c 时所流过的激励电流称为额定激 励电流。 霍尔最大允许激励电流：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称 为最大允许激励电流。 霍尔输入电阻：霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔输出电阻：霍尔输出电极问的电阻值称为输入电阻。 霍尔元件的电阻温度系数：在不施加磁场的条件下，环境温度每变化r c 时， 电阻的相对变化率，用口表示，单位为。c 。 霍尔不等位电势( 又称霍尔偏移零点) ：在没有外加磁场和霍尔激励电流为，的 情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。 霍尔输出电压：在外加磁场和霍尔激励电流为j 的情况下，在输出端空载测得 的霍尔电势差称为霍尔输出电压。 7 华北电力大学硕士学位论文 霍尔电压输出比率：霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率。 霍尔寄生直流电势：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出 除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。 霍尔不等位电势：在没有外加磁场和霍尔激励电流为，的情况下，环境温度每 变化1 。c 时，不等位电势的相对变化率。 霍尔电势温度系数：在外加磁场和霍尔激励电流为j 的情况下，环境温度每变化1 。c 时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。 2 2 霍尔传感器的设计 2 2 1 霍尔功率变换器的设计原理 由霍尔元件的工作原理可知，霍尔电势与口、，的乘积成正比，若能把功率 p = 研中的明转化为曰、，的乘积，则可以通过测量出的大小来计算出p 的大 小，霍尔功率变换器就是根据这一思路设计的。霍尔功率变换器中通过霍尔元件两 端的的电流由负载电压及所串电阻尺决定，电磁感应强度曰由串联与负载上的线圈 产生，其大小与负载电路中的电流l 成正比。原理图如图2 3 所示 图2 - 3 霍尔功率变换器原理 r l f t 有一固定线圈串联连接于负载，故其所产生的磁场将比例于负载电流l ；霍尔 元件并联连接于负载端，流过的电流l 正比于负载电压。最终，在霍尔元件的a b 之间霍尔电压将正比于负载电流l 与电压吼乘积的瞬时值。在正弦交流电路 中，电压电流相量分别为玑，l ，它们之间相位差为九，则： i c = ul x l 足，为电路转换系数 8 ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 贝l j i 。= k ，u “s i n t o t b = k 口ls i n ( o 甜+ 唬) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 由( 2 一i ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 得：“日= k 【，lc o s # l - k u e o s ( 2 t o t + 九) ( 2 6 ) 其中k = k 。k ，k 。，k 。为霍尔元件的灵敏度系数，k ，为电路转换系数，k 。为线圈产 生磁感应强度的常数。 滤掉二次谐波后输出的电压砜= 足吼t c o s # t ( 2 7 ) 与网络的有功功率成正比，电能为：p = r l c 。s 唬出= f 铷 ( 2 8 ) 2 2 2 霍尔元件尺寸的确定 霍尔电势不但与材料的电阻率和迁移率有关，而且还与材料的几何形状和尺寸 有关。一般要求霍尔元件的灵敏度越大越好，霍尔元件的灵敏度与厚度成反比。因 此，厚度越薄，灵敏度越高。但也并不是越薄越好，因为元件减薄后，输出和输入 阻抗将很大，这就必须降低激励电流，否则元件的功耗很大，并引起温升，对器件 工作非常不利。当霍尔元件的宽度w 加大，或1 w 减小时，载流子在偏转过程中的损 失将加大，通常要对霍尔电势进行修正： 1， = r 二三矽( 二) ( 2 9 ) w m ， ， 式中，( 与为形状效应系数，其修正值“”如表2 - 1 w ， 表2 - 1 二减小时的修正值 f - 0 51 01 52 02 53 04 0 f a 0 3 7n6 7 50 明ln9 2 30 9 6 tn9 8 4n9 9 6 l p 可以看出，当二大于3 时，( 二) 趋近1 。这时电流控制极的短路效应的影响几乎 不存在了，因此，在实际设计霍尔器件时考虑到加工的难易程度和机械强度，长宽比 w 一般取2 2 5 就足够了，如果t w 取得过大，反而使霍尔器件的输出电阻变大， 增加输入功耗，降低输出效率。 国产霍尔片尺寸一般为，= 4 r a m ；w = 2 r a m ；d = o 1 m m ，也是本文所选霍尔片的 尺寸。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 霍尔元件材料的确定 1 霍尔元件材料的选取依据 霍尔元件是霍尔传感器的核心敏感部件。 由于材料的电阻率p 与载流子的浓度和迁移率有关，即 p ：j 一 ( 2 1 0 u ) 。 l z lj n a l 根据( 2 2 ) ( 2 3 ) 式有p = 二= 旦，r n = 朋( 2 - 1 1 ) 霍尔系数r 。反映了材料的霍尔电动势的强弱。要想获得较强的霍尔电势，就 要求半导体材料的电阻率和载流子的迁移率都要大。 一般金属材料的载流子的迁移率很大，但自由电子浓度开很高，使电阻率很小， 霍尔系数也很小，使输出【，。极小，不宜作霍尔元件，如c b 的甩= 8 4 7 x 1 0 ”m 3 ， 而霍尔系数却很小约为一0 5 x 1 0 1 0 所2 c 左右；绝缘体的电阻率很高，但载流子的浓 度很低；只有半导体材料才是理想的霍尔效应器件材料。 2 制作霍尔元件的半导体材料 常用制作霍尔元件的半导体材料及其性能参数“”见表2 - 2 表2 _ 2 制作霍尔元件的半导体参数( 温度：3 0 0 k ) 材料 禁带宽度e g m _ $ f l 率p电阻迁移靴霍尔系数r i ( 单晶co v o 6 , m ， m 3 v j ， ( c ) n 镨m0j 舒13 姗4 2 5 0 n 硅s i11 0 7l j1 5 拙 锑化铟i m q b 0 1 了0 加j翻0 3 ，0 砷化镏地0 3 60 。0 0 3 52 1 ；0i 砷化凉c , a h b 1 4 70 28 ，1 7 从表中我们可以看到锑化铟材料所具有的舻和a 值为所有半导体材料中最大 的。然而锑化铟的禁带宽度很小，本征激发强，故温度性能比不上锗、砷化铟。锗 材料的a 值虽不大，但其j p ( 霍尔系数) 值较大，其霍尔系数、温度性能和线性 度都较好因此是一种常用的材料。硅的线性度较好，其霍尔系数、温度性能同型 锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。砷化铟 的g p 较小，温度系数也较小。砷化镓的灵敏度比锑化铟低，但温度特性好，能在 较宽的温度范围内工作，并且线性度较好，但价格昂贵。 根据表2 2 中所列半导体参数分析，选择锗作为霍尔元件的材料。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 将所选取材料用陶瓷或环氧树脂或硬橡胶进行封装。 锗( g e ) 霍尔元件的输出特性如图2 - 4 所示： 图2 - 4g e 霍尔元件的输出特性 2 3 霍尔元件的误差及其补偿 由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如 元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。 2 3 1 霍尔元件的零位误差及其补偿 1 电势不等位的原因 霍尔元件的零位误差是由于不等位电动势砜所造成的，砜产生的原因是制造 工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全 位于同一等位面上，如图2 - 5 a 所示；此外霍尔片电阻率不均匀、片厚薄不均匀或 控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生 不等位电动势，如图2 5 b 所示。 口 哐龋 图2 - 5 不等电位 华北电力大学硕士学位论文 2 不等位电势补偿电路 不等位电动势可用不等位电阻来表示，因此，可以从分析电阻的方法来得到补 偿的方法。由于霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图2 6 a 所示，因此可在某一 桥臂上并上一定电阻而将“降到最小，甚至为零。图2 6 b 中给出了几种常用的不 等位电动势的补偿电路，其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好，但这种 电路减小了霍尔元件的输入电阻，增大了输入功率，降低了霍尔电势的输出。 净b 1 “ a ) 霍尔元件等效电路 铮岳曲 蝴秭 秘 b ) 几种不等位电动势的补偿电路 图2 - 6 霍尔元件等效电路和不等位电动势补偿电路 一般要求v o r ，b = 鳓村也 近似适用。在此，取螺线管长为1 0 0 r a m ，用线径为0 1 删的铜漆包线缠绕1 0 0 0 砸，线圈内径大约1 0 坍m 左右，制成的线圈满足l r ，单位长度上的匝数为，l = 1 0 4 ， 则产生的磁感应强度的常数为： k 口= a o n = 4 7 r x l 0 7 x 1 0 4 t 1 2 1 m t 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章电度表硬件系统的电路设计 本文设计的智能化电度表主要以霍尔转换器和a t 8 9 s 5 1 为核心1 ，能对峰、平、 谷时段设定不同的费率，使用时能根据预设的各时段的费率累计并显示电量，以达 到准确、分时、智能地测量电量的目的。此电度表通过将电路中的电压电流乘积即 电路消耗的电功率转化为霍尔元件的电势形式，通过测量霍尔元件的霍尔电势得到 电路的电功率值，经过放大滤波、a d 转换等电路处理后，经单片机a t 8 9 s 5 1 根据 不同时段价格计算出所用电量并送到l c d 上显示，同时将结果保存到f l a s h 存储器 中。 其中所设计的智能电度表要实现的功能有： 1 ) 具有峰、平、谷三种费率，3 个时段。增删费率时段可以通过修改软件实现。 2 ) l c d 显示6 位累计总电量、时间和当前工作时段； 3 ) 电度表数据( 累计平电量、累计谷电量、累计峰电量和总电量) 自动存储于 片内f l a s h 中。 4 ) 外置实时时钟d s l 3 0 2 ，精确指示当前时间，具有后备电池，掉电不丢失时间。 电度表的设计总框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 电度表总体框图 分为霍尔元件传感器装置、微处理器、信号调理电路、a 9 转换、显示电路、 外置时钟电路、通讯电接口和i c 卡接口电路等几部分。 3 1 硬件系统主控芯片简介 电度表的主控核心部分是由单片机，单片机将所得到的电功率在某时间段的进行累 积，并根据不同时段的费率计算出电量。在本文采用了a t 8 9 s 5 1 单片机，其优点是： 1 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 内部含f l a s h 存储器 在系统开发过程中，可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开发 周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不 影响到信息的保存。 ( 2 ) 输出引脚和指令系统与8 0 c 5 1 兼容 用a t 8 9 c 5 1 单片机取代8 0 c 5 1 时，可以直接进行代换。 ( 3 ) 性能好、功耗低 3 1 1 单片机a t 8 9 s 5 1 介绍 a t 8 9 s 5 1 提供以下标准功能：4 k 字节f l a s h 闪速存储器，1 2 8 字节内部r a m ， 3 2 个i 0 口线，看门狗( w d t ) ，两个数据指针，两个1 6 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，a t 8 9 s 5 1 可降至o h z 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 c p u 的工作，但允许r a m ，订时计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方 式保存r a m 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件 复位。 i a t 8 9 s 5 1 的主要特性： 与m c s 一5 1 兼容 4 k 字节可编程闪烁存储器 寿命：1 0 0 0 写擦循环 数据保留时间：1 0 年 全静态工作：o h z - 2 4 h z 三级程序存储器锁定 1 2 8 8 位内部r a m 3 2 可编程i 0 线 两个1 6 位定时器计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 a t 8 9 s 5 1 的引脚介绍 a t 8 9 s 5 1 的引脚图如图3 - 2 所示： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 p 1 0v c c p 1 1p o0 ( a d 0 ) p 1 2 p o l ( a d p 1 3 p n 2 ( a d 2 ) p i 4 p 0 3 ( a d 3 1 p 1 5 ( m o s dp 0 4 ( a d 4 ) p l 研m 1 s o ) p 0 5 ( a d 5 】 p 1 7 ( s c 柚p 0 6 ( a d 6 ) r s tp o “a d 7 1 p 30 r p x d )e a ，p p p 3 1 ( t ) ) a i 正，p r o g p 3 甜i n t 0 ) p s e n p 3 3 0 r r d1 2 7 ( a 1 5 ) p 3 州t o )1 2 “a 1 4 ) p 3 5 ( t 1 )p 2 5 ( a 1 3 ) p 3 “w r l p 2 4 1 a 1 2 ) p 37 ( r d ) p 23 ( a 1 1 ) x | l 2 p 2 爿a 1 0 ) x t l l p 2 1 f a 9 ) g n d p 2 0 ( a s ) 图3 - 2a t 8 9 s 5 1 引脚图 v c c ：供电电压 g n d ：接地 p 0 口：p 0 口为一个8 位漏级开路双向i 0 口，每脚可吸收8 t t l 门电流。当p 1 口的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。p o 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第八位。在f i a s h 编程时，p o 口作为原码输入口，当 f i a s h 进行校验时，p 0 输出原码，此时p o 外部必须被拉高。 p l 口：p 1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向i o 口，p l 口缓冲器能接收 输出4 t t l 门电流。p 1 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p 1 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f l a s h 编程和校验 时，p l 口作为第八位地址接收。 p 2 口：p 2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 口缓冲器可接收，输 出4 个t t l 门电流，当p 2 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，p 2 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。p 2 口当用于外部程序存储器或1 6 位地址外部数据存储器进行存取时，p 2 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，p 2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p 2 口在f l a s h 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p 3 口：p 3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向i 0 口，可接收输出4 个t t l 门电流。当p 3 口写入“l ”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，p 3 口将输出电流( i l l ) 这是由于上拉的缘故。 p 3 口也可作为a t 8 9 c 5 1 的一些特殊功能口，如下所示： 1 7 华北电力大学硕士学位论文 口管脚备选功能 p 3 0 ( r x d ) ：串行输入口 p 3 1 ( t x d ) ：串行输出口 p 3 2 ( n t o ) ：外部中断0 p 3 3 ( i n t l ) ：外部中断1 p 3 4 ( t o ) ：记时器0 外部输入 p 3 5 ( t 1 ) ：记时器1 外部输入 p 3 6 ( w r ) ：外部数据存储器写选通 p 3 7 ( r d ) ：外部数据存储器读选通 p 3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 r s t ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持r s t 脚两个机器周期的高电平时间 a l e 瑚d g ：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 地位字节。在f l a s h 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，a l e 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a l e 脉冲。如想禁止a l e 的输出可在s f r 8 e h 地址上置0 。此时，a l e 只有在 执行m o v x ，m o v c 指令是a l e 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a l e 禁止，置位无效 p s e n ：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p s e n 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的p s e n 信号将 不出现 e a v p p ：当e a 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器( 0 0 0 0 h f f f f h ) ， 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，e a 将内部锁定为r e s e t ；当e a 端 保持高电平时，此间内部程序存储器。在f l a s h 编程期间，此引脚也用于施加1 2 v 编程电源( v p p ) ， x t a l l ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 x t a l 2 ：来自反向振荡器的输出 3 1 2 单片机a t 8 9 s 5 1 的复位及晶体振荡电路 a t 8 9 s 5 1 单片机的工作电压范围：4 o v 一5 5 v ，所以通常给单片机外接5 v 直 流电源。连接方式为：v c c ( 4 0 脚) 接电源+ 5 v 端，v s s ( 2 0 脚) 接电源地端 时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机 的执行速度。a t 8 9 s 5 1 单片机时钟频率范围：0 3 3 删z 时钟电路连接方式为图3 3 中的电容c l 和c 2 起稳定作用。 复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的 1 8 华北电力大学硕士学位论文 “启机”过程。a t 8 9 s 5 1 单片机复位信号是高电平有效，通过r s t ( 9 脚) 输入。通 常使用的是混合复位路，即将上电复位电路和手动复位电路结合到一起构成，如图 3 3 所示。 图3 - 3a t 8 9 s 5 1 复位、晶体振荡电路 3 2 硬件系统前向通道的设计 3 2 1 放大滤波电路的设计 由于从霍尔转换装置出来的霍尔电势很微弱只有2 0 m v 左右，并且这个电势信 号具有二次谐波，所以必须经过放大、滤波电路进行调整才能送至 d 转换器。 3 2 1 1 霍尔电势放大电路设计 1 放大器的