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1、郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 0 - / 17目录1 绪论 .12 系统硬件电路设计 .32.1 霍尔电流传感器电路 .32.2 放大和 AD 转换电路.52.3 控制电路.72.4 声光报警电路.82.5 显示电路.92.6 电源模块.113 系统软件设计 .134 总结与展望14参考文献.15郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 1 - / 171. 绪论在工业、牵引、电力等领域，对于电压、电流及功率的计量是非常重要的。对于电压的计量，低压可以用电压表直接测量到，而对于高压的话就需要有电压互感器变压后进行测量。那么对于电流的测量交流直流电流很小时，可以用万用表直
2、接串入到电路中去测量，稍大点的电流可以用分流器测量，但是这种方法测量精度低，隔离程度低，电流超过 7000A 以上时分流器就无法使用了。这就需要可以测量大电流并可以精确数显的电流表。本系统采用以 8051 系列的 AT89S52 单片机系统为核心利用霍尔电流传感器来开发数字霍尔电流表系统。系统的原理框图如下：系统硬件原理图由霍尔传感器采集电流信号，信号处理，数据处理和智能算法、显示和报警等构成。整个系统由微处理器控制，根据“霍尔效应”的原理设计的。由霍尔电流传感器直接采集电流信号，再经滤波、放大、整形后，霍尔电流传感器信号处理单片机数字显示电路声光报警电路电 源 部 分郑州轻工业学院传感器及应
3、用系统课程设计说明书- 2 - / 17输入到微处理器的，并在显示系统上显示。它的各部分电路的说明如下。(1).霍尔电流传感器部分：该部分电路是本次设计的基础，它利用霍尔效应 U=K*I*B 将电流的变化转变成电压的变化实现测电流。(2).信号处理部分：该部分电路包括电压信号的放大和 AD 转换，实现模数变换。(3).单片机部分：AT89C51 单片机系统是数字霍尔电流表的核心部分，主要任务有：给ADC0809 模数转换芯片提供一个时钟，使其正常工作，同时采集模数转换后的数字信号，使用软件滤除干扰，并对数字信号进行计算，然后输出显示。(4).电源电路部分：该部分电路负责将输入的 9V12V 直
4、流电，分别转换为稳定的 9V、5V、-9V 直流电，给传感器，放大电路，单片机，ADC0809 等供电。(5).显示电路，声光报警电路：显示电路的作用是将测量的电流实时显示出来，当测量电流超过电流表的测量范围时报警电路将发出声光进行报警。郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 3 - / 172 数字霍尔电流表系统硬件电路设计系统由五大部分组成：（1）霍尔电流传感器测量电路；（2）数据采集，放大，AD 转换电路；（3）单片机 AT89C51 控制及数据计算电路；（4）电源电路；（5）电流实时显示电路和声光报警电路。2.1 霍尔电流传感器电路本次课程设计采用的是 ACS712 霍尔电流传
5、感器，ACS712 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 ( 66 mVA185mVA)，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点。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 1.2m，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
6、压2.1kVRMS，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。ACS712 的引脚图及引脚说明如图 1 和表 1 所示：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 4 - / 17ACS712-3OA 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。图 3 ( b) 为ACS712 -30A 检测灵
7、敏度与电流关系的特性曲线，输出灵敏度约为 66mV/A，受温度影响很小。该部分电路原理图如下所示：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 5 - / 171IP+234GND6filter7OUT8VCASHadnpP3 和 P4 分别为待测电流的输入和输出，采用 5V 电源供电。2.2 放大和 AD 转换电路本次课程设计，放大模块采用的是 OP07 放大集成电路，AD 转换电路采用的是 ADC0809。OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V ，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的
8、调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA） 和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 OP07 具有以下特点： 超低偏移： 150V 最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month 最大 高电源电压范围： 3V 至22VOP07 的引脚分布如下图所示：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 6 - / 17OP07 芯片引脚功能说明： 1 和 8 为偏置平衡(调零端)，2 为反向输
9、入端，3 为正向输入端，4 接地，5 空脚 6 为输出，7 接电源+。OP07 放大电路的电路原理图如下所示：此次课程设计的放大电路主要是为了将霍尔电流传感器输出的电压值与 AD 模块的基准电压相匹配。由于 ACS712 输出的电压的线性范围为 0.5V-4.5V，而 AD模块的基准电压设为 0.5V 和 4.5V 是不容易实现的，这对电路的要求很高。如果采用减法器的放大电路，将 0.5V-4.5V 输出转化为 0-5V 输出，就可以很好的避免这个问题，而且易于实现。ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器,它有 8 路模拟开关，地址锁存与译码器、比较器，8 位开关树形
10、A/D 转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其他一些电路构成。因此 ADC0809 可处理 8 位模拟量输入，且有三态输出能力，即可与各种微处理器相连，也可单独工作，输入、输出与 TTL 兼容。其引脚图如下：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 7 - / 17ADC0809 引脚功能如下：ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装。 IN0IN7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START：AD 转换启动信号，输
11、入，高电平有效。 EOC：AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。ADC0809 的电路原理图如下：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 8 - / 17IN3142567STEOCD9LK0VRF+GABP.根据 ACS712 的数据手册可知，ACS712 的灵敏度 66mV/A，而 ADC0809的电压输出范围为
12、 0-5V，量化单位 =5256V=15.625mV 小于 ACS712 的输出灵敏度，即用 8 位的 ADC 在转换精度上可以满足需要.2.3 控制电路AT89C51 单片机最小系统由 AT89C51 单片机及其外围电路组成，是数字霍尔电流表系统的核心。AT89C51 单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程 ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89C51 单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用是为 ADC0809 提供时钟信号、形成必要的时序、进行数据计算以及控制 LCD 字符的显示。AT89C51 单片机各个引脚分布如图所示：图 1 图 2xWXcU*es
13、akMHZpol郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 9 - / 17图 3图 1 为单片机的晶振电路，图 2 为单片机的复位电路，图 3 为单片机的引脚分布及各引脚的接口，单片机采用 5V 供电。D1 为单片机上电电源指示灯，P2.7 为报警指示灯的接口，P2.6 为报警蜂鸣器的接口， P0.0-P0.7 为显示器LCD1602 的 8 位数据接口，X1，X2 为晶振电路的接口，与晶振电路相连。P3.0P3.7 与 ADC0809 的 8 位数据输出口相连，采集 AD 后的数字信号，P1.0、P1.1、P1.2 为 LCD 的控制端口。P1.3P1.7 为 ADC0809 的控制端
14、口。RST 为单片机的复位端口，与复位电路相连。2.4 声光报警电路当测量的电流超过电流表的量程时，声光电路将进行声光报警，同时在显示界面显示提示语句，提醒操作人员及时进行处理，避免系统长时间工作在超量程情况下，影响系统的性能和使用寿命。声光报警电路由一个红色的 LED 灯和蜂鸣器构成。电路原理图如下所示： 4KRDesPackLE0VCQSpr6AGNB郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书- 10 - / 17声光报警电路2.5 显示电路本次课程设计的显示电路部分采用 LCD1602 液晶进行显示。1 602 液 晶 也 叫1602 字 符 型 液 晶 它 是 一 种 专 门 用 来 显 示 字 母 、 数 字 、 符 号 等 的 点 阵 型 液 晶模 块 它 有 若 干 个 5X7 或 者 5X11 等 点 阵 字 符 位 组 成 ， 每 个 点 阵 字 符 位 都 可 以显 示 一 个 字 符 。 它 具 有 微 功 耗 、 体 积 小 、 显 示 内 容 丰 富 、 超 薄 轻 巧 等 特 点 ， 常 用于 袖 珍 式 仪 表 和 低 功 耗 应 用 系 统 中 。其 引 脚 分
