基于霍尔元件的大电流测定仪的设计

金雪尘，黄亮，张杰

(常州工学院理学院，江苏常州213002)

基于霍尔元件的大电流测定仪的设计

金雪尘，黄亮，张杰

(常州工学院理学院，江苏常州213002)

利用霍尔元件设计一种能测量交、直流大电流的仪器，其基本测量原理是：通过测量被测电流的磁场大小来显示被测电流的大小，磁场大小通过霍尔传感器转换成霍尔电压，再经过单片机处理后在液晶屏上显示。电流测量范围为0.1～500 A，测量精度达3位有效数字。

霍尔元件；电流；磁场；单片机

TH702

A

1 问题的提出

以往测量电流的仪器有指针式电流表、数字式电流表和钳形表等多种，指针式电流表和数字式电流表能测量交、直流电流，测量范围从微安级到十几安培，但无法测量大电流物体，而钳形表虽然最大可以测量几百安培的交流电流，但它不能测量直流电流。为此本文介绍一款利用霍尔元件及其他电路设计制作的可以测量交、直流电流的仪器，其电流测量范围为0.1～500 A，测量误差不大于1%，若改变霍尔传感器型号，测量范围还可进一步扩大。

2 设计的基本思路

本仪器通过测量被测电流产生的磁场来确定被测电流的大小，被测电流产生的磁场是通过测量该处霍尔元件上的霍尔电压得到，由于霍尔电压通常较小(毫伏级)，为了提高测量精度和效率，霍尔电压经过霍尔传感器自带的放大器放大后输出到单片机A/D端口，经单片机采样处理后，通过液晶屏显示被测电流。[1-2]

大电流测定仪由测量霍尔电压的霍尔元件、接收并处理数据的STC12C5A60S2的单片机以及外围显示控制模块等组成。设计原理如图1。

图1 设计原理框图

3 硬件设计

3.1霍尔元件部分

本仪器是通过霍尔元件测量被测电流的磁场来显示被测电流大小。被测电流大小转换为磁场大小，磁场大小转换为霍尔电压大小的原理如图2。霍尔传感器外形如图3。图2中，被测电流可绕行在磁钢上，绕行匝数根据被测电流大小确定，电流小，绕行匝数可以适当增加；电流大，绕行匝数可以适当减少，绕行匝数最少时可让电流直接在磁钢中间穿过，此方法与钳形表测量电流的方法相当。

图2 霍尔传感器原理图

磁钢下部镶嵌一个霍尔元件，图2中，若磁场方向是左右方向，霍尔片前后面通IS电流，则在霍尔元件的上下方向可测得霍尔电压UH。

需要说明的是：此霍尔传感器自带放大器，使原来霍尔元件的输出电压由毫伏级最大可增加到5 V左右，这样的电压可直接输到单片机的A/D口。[3]

图3 霍尔传感器外形图

3.1.1 霍尔传感器性能测试

为了研究霍尔元件的被测电流和相应输出的霍尔电压之间是否有良好的线性关系，在下列条件下对被测线圈的输入电流和霍尔传感器的输出电压进行一系列测量，在正式测量数据前可对此霍尔传感器的电压放大倍数进行一定的校正和定标。

为了在实验室的普通工作电流条件下能够显示测量大电流的情况，本测试在磁钢上绕250匝线圈，这样当输入电流为1 A时，相当于250 A电流直接在磁钢中间穿过时产生的磁场；当最大输入电流为2 A时，相当于500 A电流直接在磁钢中间穿过时产生的磁场。测试结果如表1所示，测试条件如下：

传感器型号为EKH500EKA；电流测量范围为0～2 A(相当于0～500 A)；供电为-15 ～+15 V；频带宽度为DC 20 kHz；绕组为250匝；测量仪器为FLUKE15B。

表1 测试数据

3.1.2 霍尔传感器U-I图

由上述实验数据绘出的霍尔元件输入电流和输出电压关系曲线如图4所示，由图4可以看出，线性关系非常好，由此可以得到输入电流和输出电压的关系为Uout=2.445Iin。

3.2处理器模块及外围电路图

3.2.1 处理器

STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10

图4 霍尔传感器输入电流与输出电压关系

位A/D转换(25万次/s)，针对电机控制，强干扰场合。处理器及外围电路如图5。

(a)晶体振荡

(b)复位电路

(c)最小系统

3.2.2 ADC控制电路

设计中的A/D转换器采用STC12C5A60S2单片机内置ADC，该ADC是10位逐次逼近型模拟数字转换器。其A/D转换口在P1口(P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，速度可达250 kHz(25万次/s)。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，可通过软件设置将8路中的任何一路设为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，转换结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。本设计可测量8通道电压值，测量范围为0～5 V。[4]它可完成温度检测、电池电压检测等工作。

3.2.3 电压测量

工作原理：霍尔传感器输出电压经过放大接入单片机P1.7，经A/D转换将模拟的电压量转换为与它相对应的数字量[5]，取10位A/D的高9位，A/D取值范围为0～512，微小调节霍尔元件的放大倍数，使输入500 A电流时，A/D转换器正好输出500，如此A/D数据和输入电流可以直接对应。这样使500 A对应A/D的500，0 A对应A/D的0,然后单片机将被测电流显示在LCD上，当待测电流高于(低于)设定的上(下)限时，单片机输出报警信号。

3.3液晶显示LCD电路

JM12864C-2 LCD液晶显示屏尺寸为62 mm×44 mm，分辨率为128×64,如图6所示。该液晶显示屏可以显示汉字和图形，它内置128 个字符(8×16点阵)、64×128点阵显示RAM(GDRAM)，其主要技术参数和显示特性如下：LCD 由5 V 供电，采用并行接口通信；D/I、R/W、E 分别为数据/指令、读写和使能信号，DB0～DB7 为并行数据输入端；工作温度为-20～+70 ℃。

图6 液晶显示屏电路图

4 系统软件设计

系统软件使用C语言编程，其主函数程序如下：

void main(void) //主函数

{

Delay(1); //开始延时，等待外部模块上电初始化

InitRam();

Init12864(); //初始化12864液晶

Clr12864(); //液晶显示初始化

InitCom(); //UART串口初始化

InitADC();

InitTimer0(); //定时器初始化

Delay(10); //延时

while(1) //主程序循环

{

if(flag_keyscan) //按键扫描

{

flag_keyscan=0; //清标志位

KeyScan(); //扫按键

}

if(flag_readAD) //读A/D数据

{

flag_readAD=0; //清标志位

adv10=GetADC(7); //读第7通道的A/D数据

adv10&=0x3ff; //数据格式化

ad_addup+=adv10>>1; //取9位 0-511后累加

if(ad_counter++==7) //多次测量取平均

{

ad_counter=0; //次数计数器

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; //置位报警标志

{

else

{

flag_alarm=0; //清报警标志

}

}

}

if(flag200ms) //200mS标志到

{

flag200ms=0; //清标志位

Show_SXCLXX(highI,ad_average,

lowI); //显示刷新

if(flag_alarm) //如果报警

{

LEDR_IVT(); //红灯闪烁

Beep(50); //发报警音

}

else //否则，不报警

{

LEDR_OFF(); //关报警灯

}

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)

//如需发送ADC数据到串口

{

flag_sendADtocom=0; //清发送标志

SendCurrentADvalueToCom();

//调用发送程序，发送时关中断

}

if(flag_press_timeup)

{

runstate=0;

flag_press_timeup=0;

Beep(200);

}

}

}

5 结语

采用霍尔元件设计大电流测量仪能为大电流测量特别是直流电大电流的测量找到一种较好的方法。该霍尔传感器用磁芯材料作磁路，借鉴了钳形表测量电流的思路，使用霍尔元件测量电流的磁场要比电磁感应法更精确，测量范围更广，使用单片机对霍尔电压进行A/D转换，对数据进行分析和处理，并用LCD显示器显示被测量电流值，使数据处理的每一个环节都有较高的精度。用此方法测量电流，测量范围更大，方法简便，测量过程中仪器不必接入电路，测量过程更安全。

[1]严世胜，钟承尧.单片机直流数字电压表的设计[J].海南师范大学学报：自然科学版，2010(1)：44-46.

[2]宋敬卫，付广春.基于STM32的多路电压采集研究[J].电子世界，2013(6)：55-56.

[3]李汉军.直流电压的单片机测量电路设计[J].仪表技术，2001(1)：48-49.

[4]金雪尘，黄亮.用脉宽调制技术实现三基色LED灯的调色[J].常州工学院学报，2010(3)：16-19.

[5]徐博宁，司江英.基于单片机的频率、电压监测系统设计[J].现代电子技术，2008(21)：67-69.

责任编辑：张秀兰

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

金雪尘(1963— )，男，副教授。

1671- 0436(2014)03- 0018- 05