基于霍尔传感器的电流测试设计课程设计.docx
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基于霍尔传感器的电流测试设计课程设计
摘要
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50Hz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。
电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把交流电压变为所需要的低压电交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经过滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，经过、变压、整流、滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电。
本次试验通过对直流可调电流源的设计实训，能够熟练应用分立元件完成小功率直流稳压电源的电路设计、参数运算和器件选择，使其满足试验所需要求。
同时正确掌握直流稳压电源的制作与测试方法，为今后的实际工作打下良好的基础。
【关键字】霍尔传感器稳压器直流稳压电源
Abstract
Currentdetectionhavemanykindsofmethods,themostcommonmethodistouseimpedanceshunt,transformerorhallsensor.Impedanceshuntworkwithloadseries,unabletoisolationmeasurement;TransformerisonlyintheHzpowerfrequencyacmeasurement;Halldetectiontechnologyintegratedthetransformerandshunttechnologyalladvantages,atthesametime,andovercomethetransformerandtheshortageoftheshunt,usingahallcurrentvoltagesensor/transmittermoduledetectingelement,whichcandetectcommunication,alsocandetectdc,evencandetecttransientpeak,andatthesametimecanrealizemaincircuitloopandelectroniccontrolcircuitofisolation,itisalternativetransformerandshuntofanewgenerationofproducts.
Powersupplyforelectricalandelectronicequipmentindispensableenergysupplyparts,growingdemand,butalsotofunction,thestabilityoftheindicatorsalsoputforwardhigherrequest.Dcregulatedpowersupplyiscomposedofpowertransformer,rectifierfiltercircuitandvoltageregulatorcircuitcomposed.Theacvoltagetransformertoneedlowvoltageelectricalternatingcurrent（ac）.Rectifierthealternatingcurrent（ac）intodirectcurrent.Afterfiltering,voltageregulatorandunstabledcvoltageintoastabledcvoltageoutput.Thisdesignmainlyadoptsdcvoltageconstituteintegratedvoltageregulatorcircuit,after,transformer,rectifier,filter,voltage220valternatingcurrent（ac）,theprocesswillbecomestabledc,.
Thetestthroughtheadjustabledccurrentsourcedesignpractice,canskilledapplicationofdiscreteelementcompletesmallpowerdcregulatedpowersupplycircuitdesign,parametercalculationandcomponentselection,makeitmeetthetestrequirementsneeded.Atthesametimegraspdcregulatedpowersupplyproductionandtestmethodforfutureactualworklayagoodfoundation.
【Keywords】HallsensorregulatorDcregulatedpowersupply
一、课程设计题目分析
1.1课程设计题目介绍
根据给定的电流传感器型号，设计硬件电路以及软件电路来显示电流传感器测得电流大小，并且能滤除一定的干扰，是测得的数据尽量精确。
电流传感器CTDS20A-***输入信号有直流、交流、双向直流和脉动直流几种形式，输出信号有0～5V,0～20mA、4～20mA、0～10V多种形式任选。
因为本课程设计的电流传感器型号为CTDS20A-211，所以代表输入为交流，输出为0～5V（VZ），辅助电源电压为+12V。
第一个“*”为1、2、3、4分别代表输入为直流、交流、双向直流、脉动直流信号，第二个“*”为1、2、3、4、5、6分别代表输出为0～5V（VZ）、0～5V（VG）、0～20mA（IZ）、4～20mA（IY）、0～10V（VZ）、0～10V（VG），第三个“*”为1、2、3、4、5、6表示辅助电源电压,分别代表+12V、+15V、+24V、±12V、±15V、±24V。
1.2课程设计要求及注意事项
主要技术参数输入范围:
0～0.5～300A精度等级:
0.5级
工作温度:
0～50℃温漂特性:
500ppm/℃
隔离耐压:
2500VDC
负载能力:
电压输出≥2kΩ电流输出≤300Ω
响应时间:
≤250ms
静态功耗:
电压输出≤200mW电流输出（4～20mA）≤250mW
输入过载能力：
10倍标称值（5秒）
1.电源电压必须符合标称值,否则会烧坏产品;
2.当用万用表表笔测量电压或电流时,应把接线端子螺钉旋到底,否则有可能测不到电压或电流输出值；
3.该产品的输出端应根据输出的类型接负载，电压输出时负载是并联，电流
输出时负载是串联；
4.电流穿孔直径有四种可供用户选择,分别为Φ4,Φ6.5,Φ13和Φ20，电流母线穿线允许的情况下，应尽量选用小孔径，以免影响测量精度。
二、整体设计方案
2.1、系统设计思路
电流传感器检测到的信号是电流，通过电流传感器内部处理后，将测得的电流信号大小转换成对应的电压，所以输出来的是模拟信号，此时要用到模数转换，及AD转换才能将模拟信号转换成数字信号。
转换成数字信号后，需要处理器处理数字信号，并且加以辨识通过驱动数字显示频来显示数字信号转换后的数字。
最后整个系统需要各种电源，此时可以设计一个电源电路供应各种电压。
无论是霍尔元件型电流传感器还是伺服型直流电流传感器，最近使用逆变器的情况比较多，电压噪声较大，对于传感器的使用较困难。
这时根据产品目录数据表中记载值难以判断，因此，需要通过实验进行验证。
自动化系统中大量使用大功率晶体管、整流器和可控硅，普遍采用交流变频调速及脉宽调制电路，使得电路中不再只是传统的50周的正弦波，出现了各种不同的波形。
对于这类电路，采用传统的测量方法不能反应其真实波形，而且电流、电压检出元件也不适应中高频、高di/dt电流波形的传感和检测。
CTDS系列电流传感器，可以测量任意波形的电流和电压。
输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。
针对霍尔效应传感器普遍存在温度漂移大的缺点，采用补偿电路进行控制，有效地减少了温度对测量精度的影响，确保测量准确；具有精度高、安装方便、售价低的特点。
2.2、设计方案的确定
利用霍尔传感器采集被测回路中的电流，霍尔传感器输出的电压信号经过ad转换后送入单片机进行数据处理，处理后的数据送入显示模块进行显示。
本设计采用的霍尔传感器的精度为0.5%，ad转换器的精度为八位，单片机型号为AT89S52满足设计要求。
设计方案的框图如下：
LCD1602
显示模块
AT89S52
霍尔传感器采集电流信号
按键输入模块
AD转换模块
时间输入模块
图二
三、硬件电路的设计
3.1、传感器电路
本设计采用的传感器为霍尔传感器，基本的优点在于：
响应时间快、低温漂、精度高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强。
主要参数如下：
输入电流大小为0～20A；
电压输出为0～5V；
转换精度为+0.5%；
工作环境温度为0～50℃；
负载能力电压输出
，电流输出
；
静态功耗电压输出
，电流输出
；
其接线图如图3-1所示：
图3-1传感器接线图
其中5脚为12v电源输入脚，6脚为电源地，7脚为VEE，8脚为电压输出脚（0～5v），9脚为电流输出脚。
3.2、AD转换模块
本设计采用的AD转换芯片为ADC0809，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路
多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
0809的输入信号来自霍尔传感器，输出的八位数字量输入单片机的P1口，用P3口作转换控制信号引脚。
电路图如图3-2所示
图3-2ADC0809接线图
3.3、按键模块
通过四个按键来调整显示时间，分别为菜单键（k1）、增加键（k2）、减小键（k3）、确认键（k4）。
电路图如图3-3所示：
图3-3按键模块接线图
3.4、液晶显示模块
采用1602显示结果，LCD1602的引脚为16脚，与单片机的接线图如图3-4所示：
图3-4显示模块接线图
3.5、时间芯片模块
时钟芯片用来记录某个时刻采集到的电流值，采集信号时的时间也显示到1602上。
时钟芯片与单片机的接线图如图3-5所示：
图3-5时间模块接线图
四、电源电路详细介绍
4.1、电源电路设计要求
（1）设计制作一个供本次实验设计可用的直流稳压电源。
（2）输入电压为220V时，电路有两个输出端，分别为12V和5V。
4.2、直流稳压电源设计思路
（1）电网供电电压交流220V（有效值）为50HZ，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变为单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压必须进过滤波电路变为平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给电压表。
4.3、直流稳压电源的基本设计原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压4个环节才能完成。
过程框图如图4-1所示。
图4-1直流稳压电源的原理框图和波形变换
（1）变压电路：
降压变压器将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路
（2）整流电路：
利用单向导电原件，把正弦交
流电变换成脉动的直流电。
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化本次设计中采用的是L7812和L7805，既可以稳定电压又可获得所需要的输出电压。
4.4、电源电路元器件的选择
4.4.1、变压器的选择
（1）变压器（transformer）原理：
利用电磁感应原理将电能或电信号从一个电路传递到另一个电路的静止器
件。
电子电路中的变压器主要用于电压幅度变换和电路负载的阻抗匹配变换。
它由绕在铁芯上的初级绕组（原组）和次级绕组（副组）组成。
工作电压自毫伏级到千伏级；输出功率从毫瓦级到千瓦级；工作频率从几十赫一直到射频；波形除正弦波外，还有矩形波、脉冲波和各种复杂的波形。
常用的变压器除一般的电源变压器外，还有音频变压器、阻抗匹配变压器、脉冲变压器、视频变压器、射频变压器等。
（2）选择要求
首先要根据我们生活用电的电源电压，即为220V；然后参照变压器铭牌标示的技术数据逐一选择，一般应从变压器容量、电压、电流及环境条件综合考虑，其中容量选择应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。
在正常运行时，应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75～90左右。
运行中如实测出变压器实际承受负荷50小于时，应更换小容量变压器，如大于变压器额定容量应立即更换大变压器。
同时，在选择变压器根据线路电源决定变压器的初级线圈电压值，根据用电设备选择次级线圈的电压值，最好选为低压三相四线制供电。
对于电流的选择要注意负荷在电动机起动时能满足电动机的要求。
（3）选择结果
综上所述，我们选用220V转15V的变压器。
4.4.2、二极管的选择
（1）整流二极管特性
整流二极管是利用PN结的单向导电特性，把交流电变成脉动直流电。
整流二
极管流电流较大,多数采用面接触性料封装的二极管。
整流二极管的外形如图1所示，另外，整流二极管的参数除前面介绍的几个外，还有最大整流电流，是指整流二极管长时间的工作所允许通过的最大电流值。
它是整流二极管的主要参数，是选项用整流二极管的主要依据。
（2）整流二极管的选用
选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止
频率及反向恢复时间等参数。
普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。
例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。
开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。
还有一种肖特基整流二极管。
选择结果
综上所述，我们选用市面上经常使用的IN4007，在功率和电流负载，功耗等性能方面都能满足需求。
4.4.3、稳压芯片的选择
稳压芯片在此电路中选择的是78系列。
因为其他系列的的稳压芯片的额定功率很大，并且所需电压很大。
为了满足次课程设计的要求，电路的负载能力:
电压输出≥2kΩ电流输出≤300Ω以及电路的静态功耗:
电压输出≤200mW电流输出（4～20mA）≤250mW。
则由此算出，电路的功率不能高于1w。
而稳压芯片中
78系列最稳定也最符合此条件，因此选择了7805,7812的稳压芯片。
（1）L7812特性介绍（采用TO-220封装方式）
压降:
2V输出数:
1
针脚数:
3封装类型:
TO-220
工作温度范围:
-40°Cto+125°C封装类型:
TO-220
工作温度最低:
-40°C器件标记:
L7812ABV
工作温度最高:
125°C容差,工作电压+:
2%
电压整流器类型:
Precision表面安装器件:
通孔安装
电源电压最大:
27V电源电压最小:
14.8V
精度,%:
2%芯片标号:
7812
输入电压最小:
14V输出电压最大:
12V
输出电流最大:
1A逻辑功能号:
7812
电压:
12V输出电压:
12V
输入电压最大:
35V
（2）L7805特性介绍（采用TO-220封装方式）
压降:
2V输出数:
1
针脚数:
3封装类型:
TO-220
封装类型:
TO-220容差,工作电压+:
4%
工作温度最低:
0°C工作温度最高:
150°C
器件标号:
7805器件标记:
L7805CV
电压整流器类型:
正固定电源电压最大:
20V
电源电压最小:
8V芯片标号:
7805
表面安装器件:
通孔安装输入电压最大:
35V
输入电压最小:
7V输出电压最大:
5V
输出电流最大:
1.5A电压:
5V
输出电压:
5V
（3）实际应用
在实际应用中，应在3端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率7805IC内部电路图.的条件下不用）。
当稳压器温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电
路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：
并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。
另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。
在lm78**、lm79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。
4.5、电源总体电路设计
综上所述，变压器型号的确定为220V转15v；二极管整流电路一般都接在电源变压器的二次输出端或者220V的交流市电，通常是用四个二极管组成的桥式整流电路由于整个系统所需的电流电压不大，所以我们选用IN4007，在功率和电流负载，功耗等性能方面都能满足需求；滤波电路我们采用的是电解电容滤波，滤除电路中的干扰，因为滤波电容容量较大，因此，一般均采用电解电容；稳压芯
片在此电路中选择的是78系列，为了满足次课程设计的要求（电路的负载能力:
电压输出≥2kΩ电流输出≤300Ω以及电路的静态功耗:
电压输出≤200mW电流输出（4～20mA）≤250mW），则可知稳压芯片中78系列最稳定也最符合此条件，因此选择了7805,7812的稳压芯片。
整体电源电路图如图4所示：
图四
五、心得体会
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
说实话，课程设计真的有点累．然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这3周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消．虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟．通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致．
课程设计过程中，我也碰到了很多困难，很多次因为设计的问题，选用器件的型号的问题，还有焊接不仔细而造成虚焊等都使得测试结果不准确，每次只能耐着性子重来。
虽然也有些时候失去了耐心，但是在同学的帮助下，我又投入到了又一次的奋斗中。
短短三周是课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用。
因此，在以后的日子里，我不仅要完善自己的理论知识，更要侧重于提高自己的动手能力，只有学会运用知识，才是真正掌握了知识！
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[9]孙利涛,赵全邦,张建红.模糊控制在红外遥控软件解码中的应用.中国交通信息产业,2009,
附录：
1、****发改局《关于*******迁建工程项目建议书的批复》
2、****村镇建设管理所《*******迁建项目用地红线》
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