基于霍爾傳感器的電流測試設計

1、 湖南科技大學本科生課程設計（論文） 湖 南 科 技 大 學課 程 設 計課程設計名稱 基于電流傳感器的電流測試儀 學 生 姓 名： 黃冰 學 院： 機電工程學院 專業(yè)及班級： 09測控2班 學 號： 0903030228 指導教師： 戴巨川 2013/1/15摘 要 電流檢測有多種方法, 最通用的方法是采用阻性分流器、互感器或霍爾傳感器。阻性分流器工作時與負載串聯(lián), 無法進行隔離測量; 互感器只適用于50 Hz 工頻交流的測量; 霍爾檢測技術綜合了互感器和分流器技術的所有優(yōu)點, 同時又克服了互感器和分流器的不足, 采用一只霍爾電流電壓傳感器/ 變送器模塊檢測元件, 既可以檢測交流, 也可以檢

2、測直流,甚至可以檢測瞬態(tài)峰值, 同時又能實現(xiàn)主電路回路和電子控制電路的隔離, 因而是替代互感器和分流器的新一代產品。電源作為電氣、電子設備必不可少的能源供應部件，需求日益增加，而且對功能、穩(wěn)定性等各項指標也提出了更高的要求。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪弘娊涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。經過濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流穩(wěn)壓構成集成穩(wěn)壓電路，經過、變壓、整流、濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電。本次試驗通過對直流可調電流源的設計實訓，能夠熟練應用分立元件完成小功率直流穩(wěn)壓

3、電源的電路設計、參數(shù)運算和器件選擇，使其滿足試驗所需要求。同時正確掌握直流穩(wěn)壓電源的制作與測試方法，為今后的實際工作打下良好的基礎。【關鍵字】 霍爾傳感器 穩(wěn)壓器 直流穩(wěn)壓電源 Abstract Current detection have many kinds of methods, the most common method is to use impedance shunt, transformer or hall sensor. Impedance shunt work with load series, unable to isolation measurement; Transf

4、ormer is only in the Hz power frequency ac measurement; Hall detection technology integrated the transformer and shunt technology all advantages, at the same time, and overcome the transformer and the shortage of the shunt, using a hall current voltage sensor/transmitter module detecting element, wh

5、ich can detect communication, also can detect dc, even can detect transient peak, and at the same time can realize main circuit loop and electronic control circuit of isolation, it is alternative transformer and shunt of a new generation of products. Power supply for electrical and electronic equipm

6、ent indispensable energy supply parts, growing demand, but also to function, the stability of the indicators also put forward higher request. Dc regulated power supply is composed of power transformer, rectifier filter circuit and voltage regulator circuit composed. The ac voltage transformer to nee

7、d low voltage electric alternating current (ac). Rectifier the alternating current (ac) into direct current. After filtering, voltage regulator and unstable dc voltage into a stable dc voltage output. This design mainly adopts dc voltage constitute integrated voltage regulator circuit, after, transf

8、ormer, rectifier, filter, voltage 220 v alternating current (ac), the process will become stable dc,. The test through the adjustable dc current source design practice, can skilled application of discrete element complete small power dc regulated power supply circuit design, parameter calculation an

9、d component selection, make it meet the test requirements needed. At the same time grasp dc regulated power supply production and test method for future actual work lay a good foundation.【Key words 】Hall sensor regulator Dc regulated power supply 目錄一、課程設計題目分析11.1 課程設計題目介紹11.2 課程設計要求及注意事項1二、整體設計方案32.

10、1、系統(tǒng)設計思路32.2、設計方案的確定3三、硬件電路的設計53.1、傳感器電路53.2、AD轉換模塊63.3、按鍵模塊63.4、液晶顯示模塊73.5、時間芯片模塊8四、電源電路詳細介紹94.1、電源電路設計要求94.2、直流穩(wěn)壓電源設計思路9（1）電網供電電壓交流220V（有效值）為50HZ，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓。94.3、直流穩(wěn)壓電源的基本設計原理94.4、電源電路元器件的選擇114.4.1、變壓器的選擇114.4.2、二極管的選擇124.4.3、穩(wěn)壓芯片的選擇134.5、電源總體電路設計14五、心得體會16參考文獻17一、課程設計題目

11、分析1.1 課程設計題目介紹 根據(jù)給定的電流傳感器型號，設計硬件電路以及軟件電路來顯示電流傳感器測得電流大小，并且能濾除一定的干擾，是測得的數(shù)據(jù)盡量精確。 電流傳感器CTDS20A-*輸入信號有直流、交流、雙向直流和脈動直流幾種形式，輸出信號有05V, 020mA、420mA、010V多種形式任選。 因為本課程設計的電流傳感器型號為CTDS20A-211，所以代表輸入為交流，輸出為05V（VZ），輔助電源電壓為+12V。 第一個“*”為1、2、3、4分別代表輸入為直流、交流、雙向直流、脈動直流信號，第二個“*”為1、2、3、4、5、6分別代表輸出為05V（VZ）、05V（VG）、020mA（I

12、Z）、420mA（IY）、010V（VZ）、010V（VG），第三個“*”為1、2、3、4、5、6表示輔助電源電壓,分別代表+12V、+15V、+24V、±12V、±15V、±24V。 1.2 課程設計要求及注意事項 主要技術參數(shù) 輸入范圍: 00.5300A 精度等級: 0.5級 工作溫度: 050 溫漂特性: 500 ppm/ 隔離耐壓: 2500 V DC 負載能力: 電壓輸出 2 k 電流輸出 300 響應時間: 250 ms 靜態(tài)功耗: 電壓輸出200mW 電流輸出(420mA)250mW 輸入過載能力：10倍標稱值 (5秒) 1. 電源電壓必須符合標稱

13、值,否則會燒壞產品; 2. 當用萬用表表筆測量電壓或電流時,應把接線端子螺釘旋到底,否則有可 能測不到電壓或電流輸出值； 3. 該產品的輸出端應根據(jù)輸出的類型接負載，電壓輸出時負載是并聯(lián)，電流 輸出時負載是串聯(lián)； 4. 電流穿孔直徑有四種可供用戶選擇,分別為4,6.5,13和20，電流母線穿線允許的情況下，應盡量選用小孔徑，以免影響測量精度。 二、整體設計方案2.1、系統(tǒng)設計思路 電流傳感器檢測到的信號是電流，通過電流傳感器內部處理后，將測得的電流信號大小轉換成對應的電壓，所以輸出來的是模擬信號，此時要用到模數(shù)轉換，及AD轉換才能將模擬信號轉換成數(shù)字信號。轉換成數(shù)字信號后，需要處理器處理數(shù)字信

14、號，并且加以辨識通過驅動數(shù)字顯示頻來顯示數(shù)字信號轉換后的數(shù)字。最后整個系統(tǒng)需要各種電源，此時可以設計一個電源電路供應各種電壓。 無論是霍爾元件型電流傳感器還是伺服型直流電流傳感器，最近使用逆變器的情況比較多，電壓噪聲較大，對于傳感器的使用較困難。這時根據(jù)產品目錄數(shù)據(jù)表中記載值難以判斷，因此，需要通過實驗進行驗證。自動化系統(tǒng)中大量使用大功率晶體管、整流器和可控硅，普遍采用交流變頻調速及脈寬調制電路，使得電路中不再只是傳統(tǒng)的50周的正弦波，出現(xiàn)了各種不同的波形。對于這類電路，采用傳統(tǒng)的測量方法不能反應其真實波形，而且電流、電壓檢出元件也不適應中高頻、高di/dt電流波形的傳感和檢測。 CTDS系列

15、電流傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。針對霍爾效應傳感器普遍存在溫度漂移大的缺點，采用補償電路進行控制，有效地減少了溫度對測量精度的影響，確保測量準確；具有精度高、安裝方便、售價低的特點。2.2、設計方案的確定 利用霍爾傳感器采集被測回路中的電流，霍爾傳感器輸出的電壓信號經過ad轉換后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送入顯示模塊進行顯示。本設計采用的霍爾傳感器的精度為0.5%，ad轉換器的精度為八位，單片機型號為AT89S52滿足設計要求。 設計方案的框圖如下：LCD1602顯示模塊AT89S52霍爾傳感器采集電流信號按鍵輸入模塊AD轉換模

16、塊時間輸入模塊 圖二三、硬件電路的設計3.1、傳感器電路 本設計采用的傳感器為霍爾傳感器，基本的優(yōu)點在于：響應時間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強、過載能力強。主要參數(shù)如下： 輸入電流大小為020A； 電壓輸出為05V； 轉換精度為+0.5%； 工作環(huán)境溫度為050； 負載能力 電壓輸出，電流輸出； 靜態(tài)功耗 電壓輸出，電流輸出； 其接線圖如圖3-1所示： 圖3-1 傳感器接線圖 其中5腳為12v電源輸入腳，6腳為電源地，7腳為VEE，8腳為電壓輸出腳（05v），9腳為電流輸出腳。3.2、AD轉換模塊本設計采用的AD轉換芯片為ADC0809，ADC0809是帶有8位A/D轉換器

17、、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。 0809的輸入信號來自霍爾傳感器，輸出的八位數(shù)字量輸入單片機的P1口，用P3口作轉換控制信號引腳。電路圖如圖3-2所示 圖3-2 ADC0809接線圖3.3、按鍵模塊 通過四個按鍵來調整顯示時間，分別為菜單鍵（k1

18、）、增加鍵(k2)、減小鍵(k3)、確認鍵(k4)。電路圖如圖3-3所示： 圖3-3 按鍵模塊接線圖3.4、液晶顯示模塊 采用1602顯示結果，LCD1602的引腳為16腳，與單片機的接線圖如圖3-4所示： 圖3-4 顯示模塊接線圖3.5、時間芯片模塊 時鐘芯片用來記錄某個時刻采集到的電流值，采集信號時的時間也顯示到1602上。時鐘芯片與單片機的接線圖如圖3-5所示： 圖3-5 時間模塊接線圖 四、電源電路詳細介紹4.1、電源電路設計要求（1）設計制作一個供本次實驗設計可用的直流穩(wěn)壓電源。（2）輸入電壓為220V時，電路有兩個輸出端，分別為12V和5V。4.2、直流穩(wěn)壓電源設計思路（1）電網供

19、電電壓交流220V（有效值）為50HZ，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓。（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路變?yōu)閱蜗蛑绷麟姡浞茸兓螅疵}動大）。（3）脈動大的直流電壓必須進過濾波電路變?yōu)槠交?，脈動小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。（4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給電壓表。4.3、直流穩(wěn)壓電源的基本設計原理 直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓4個環(huán)節(jié)才能完成。過程框圖如圖4-1所示。 圖4-1 直流穩(wěn)壓電源的原理

20、框圖和波形變換（1）變壓電路：降壓變壓器將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路（2）整流電路：利用單向導電原件，把正弦交 流電變換成脈動的直流電。（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電路輸出電壓中的交流 成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化本次設計中采用的是L7812和L7805，既可以穩(wěn)定電壓又可獲得所需要的輸出電壓。4.4、電源電路元器件的選擇4.4.1、變壓器的選擇（1）變壓器（transformer)原理：利用電磁感應原理將電能或電信號從一個電路傳遞到另一個電路的靜

21、止器件。電子電路中的變壓器主要用于電壓幅度變換和電路負載的阻抗匹配變換。它由繞在鐵芯上的初級繞組（原組）和次級繞組(副組)組成。工作電壓自毫伏級到千伏級；輸出功率從毫瓦級到千瓦級；工作頻率從幾十赫一直到射頻；波形除正弦波外，還有矩形波、脈沖波和各種復雜的波形。常用的變壓器除一般的電源變壓器外，還有音頻變壓器、阻抗匹配變壓器、脈沖變壓器、視頻變壓器、射頻變壓器等。 （2）選擇要求首先要根據(jù)我們生活用電的電源電壓，即為220V；然后參照變壓器銘牌標示的技術數(shù)據(jù)逐一選擇，一般應從變壓器容量、電壓、電流及環(huán)境條件綜合考慮，其中容量選擇應根據(jù)用戶用電設備的容量、性質和使用時間來確定所需的負荷量，以此來選

22、擇變壓器容量。在正常運行時，應使變壓器承受的用電負荷為變壓器額定容量的7590左右。運行中如實測出變壓器實際承受負荷50小于時，應更換小容量變壓器，如大于變壓器額定容量應立即更換大變壓器。同時，在選擇變壓器根據(jù)線路電源決定變壓器的初級線圈電壓值，根據(jù)用電設備選擇次級線圈的電壓值，最好選為低壓三相四線制供電。對于電流的選擇要注意負荷在電動機起動時能滿足電動機的要求。（3）選擇結果 綜上所述，我們選用220V轉15V的變壓器。4.4.2、二極管的選擇（1）整流二極管特性整流二極管是利用PN結的單向導電特性，把交流電變成脈動直流電。整流二極管流電流較大,多數(shù)采用面接觸性料封裝的二極管。整流二極管的外

23、形如圖1所示，另外，整流二極管的參數(shù)除前面介紹的幾個外，還有最大整流電流，是指整流二極管長時間的工作所允許通過的最大電流值。它是整流二極管的主要參數(shù)，是選項用整流二極管的主要依據(jù)。 （2）整流二極管的選用選用整流二極管時，主要應考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復時間等參數(shù)。 普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管，對截止頻率的反向恢復時間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。 開關穩(wěn)壓電源的整流電路及脈沖整流電路中使用的整流二極管，應選用工作頻率較高、反向恢復時間較短的整流二極管（

24、例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或選擇快恢復二極管。還有一種肖特基整流二極管。選擇結果 綜上所述，我們選用市面上經常使用的IN4007，在功率和電流負載，功耗等性能方面都能滿足需求。4.4.3、穩(wěn)壓芯片的選擇 穩(wěn)壓芯片在此電路中選擇的是78系列。因為其他系列的的穩(wěn)壓芯片的額定功率很大，并且所需電壓很大。為了滿足次課程設計的要求，電路的負載能力: 電壓輸出 2 k 電流輸出 300 以及電路的靜態(tài)功耗: 電壓輸出200mW 電流輸出(420mA)250mW 。則由此算出，電路的功率不能高于1w。而穩(wěn)壓芯片中78系列最穩(wěn)定也最符合此條件，因此選擇了7805,7812的穩(wěn)壓芯片。（1）

25、L7812特性介紹（采用TO-220封裝方式）壓降:2V 輸出數(shù):1針腳數(shù):3 封裝類型:TO-220工作溫度范圍:-40°C to +125°C 封裝類型:TO-220工作溫度最低:-40°C 器件標記:L7812ABV工作溫度最高:125°C 容差, 工作電壓 +:2% 電壓整流器類型:Precision 表面安裝器件:通孔安裝電源電壓 最大:27V 電源電壓 最小:14.8V精度, %:2% 芯片標號:7812 輸入電壓 最小:14V 輸出電壓 最大:12V 輸出電流 最大:1A 邏輯功能號:7812 電壓:12V 輸出電壓:12V輸入電壓 最大:

26、35V （2）L7805特性介紹（采用TO-220封裝方式）壓降:2V 輸出數(shù):1針腳數(shù):3 封裝類型:TO-220 封裝類型:TO-220 容差, 工作電壓 +:4%工作溫度最低:0°C 工作溫度最高:150°C器件標號:7805 器件標記:L7805CV電壓整流器類型:正固定 電源電壓 最大:20V電源電壓 最小:8V 芯片標號:7805表面安裝器件:通孔安裝 輸入電壓 最大:35V輸入電壓 最小:7V 輸出電壓 最大:5V輸出電流 最大:1.5A 電壓:5V輸出電壓:5V（3）實際應用 在實際應用中，應在3端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率7805IC內部

27、電路圖.的條件下不用）。 當穩(wěn)壓器溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應用時需注意：并聯(lián)使用的集成 穩(wěn)壓電路應采用同一廠家、同一批號的產品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。 在lm78 * 、lm79 * 系列三端穩(wěn)壓器中最常應用的是TO-220 和TO-202 兩種封裝。4.5、電源總體電路設計綜上所述，變壓器型號的確定為220V轉15v；二極管整流電路一般都接在電源變壓器的二次輸出端或者220V的交流市電，通常是用四個二極管組成的橋式整流電路由于整個系統(tǒng)所需的電流電壓不大，所以我們選用IN4007，在功率和電流負載，功耗等性能方面都能滿足需求；濾波電路我們采用的是電解電容濾波，濾除電路中的干擾，因為濾波電容容量較大，因此，一般均采用電解電容；穩(wěn)壓芯片在此電路中選擇的是78系列，為了滿足次課程設計的要求（電路的負載能力: 電壓輸出 2 k 電流輸出 300 以及電路的靜態(tài)功耗: 電壓輸出200mW 電流輸出(420mA)250mW ），則可知穩(wěn)壓芯