CN101819228A - 基于霍尔电流传感器的电流检测装置 - Google Patents

Abstract

一种电子检测技术领域的基于霍尔电流传感器的电流检测装置，包括：主电流电路、电压调理电路、接口电路、复位与起始按键电路、报警电路、电源电路、串并转换与数码显示电路及主单片机电路，其中：主电流电路和电压调理电路分别与主单片机电路相连，主单片机电路与接口电路、复位与起始按键电路、报警电路、电源电路、主电流电路和串并转换与数码显示电路相连，接口电路与主单片机电路相连，电源电路与主电流电路、电压调理电路、接口电路、报警电路、串并转换与数码显示电路及主单片机电路相连提供工作电压。本发明能够同时检测电流大小与方向，适合用于汽车后视镜和微特电机等自动检测装置。

Description

基于霍尔电流传感器的电流检测装置

技术领域

本发明涉及的是一种电子检测技术领域的装置，具体是一种基于霍尔电流传感器的电流检测装置。

背景技术

微特电机是一种小型的直流电机，在汽车后视镜、硬盘驱动器、VCD、DVD、MP3和MP4等装置中得到广泛应用。为提高产品的可靠性和质量，需要对采用的微特电机和完成装配之后的产品进行检测，尤其是检测电流大小和方向以确定电机工作状况和装配之后的产品质量。虽然可使用万用表电流档测量电流大小和方向或使用电压档测量电路中采样电阻两端的相对电压差人工判断电流方向和大小，但无法实现电流方向和大小的自动检测，且效率低下。

为实现电流大小和方向的自动测量，Burn Brown、Maxim、Interil、Microchip和Linear等公司生产了大量高侧电流检测芯片。除价格高和市场不易采购外，这些芯片还具有一般采用SMT封装形式不便于更换和V-端需特定工作电压的缺点，限制了高侧电流检测芯片的应用。Infineon、Melexis、Honeywell、Allegro和NEC-Tokin等公司生产了大量气隙式霍尔电流传感器，但这些传感器一般都用于100A以上大电流的检测，不适用于＜100mA的小电流的检测，也无法用于采用微特电机产品的电流检测和质量检验。

经对现有技术的文献检索发现，杜明等在《微电机》(2008年第7期第69-71页)上发表的“基于DSP和虚拟仪器技术的步进电机测试系统”，该文中提出采用TMS320LF2407A为主控器件，霍尔电流传感器HNC-03SY为检测装置和MAX3232为RS232接口芯片的步进电机驱动电流检测系统设计方法。其不足在于：电流分辨率为0.1A，精度差；采用DSP为处理芯片，成本较高；采用RS232接口与主单片机电路通讯，无法组建检测网络，因而通用性不强。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于霍尔电流传感器的电流检测装置，能够同时检测电流大小与方向，适合用于汽车后视镜和微特电机等自动检测装置。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：主电流电路、电压调理电路、接口电路、复位与起始按键电路、报警电路、电源电路、串并转换与数码显示电路及主单片机电路，其中：主电流电路和电压调理电路分别与主单片机电路相连，主单片机电路与接口电路、复位与起始按键电路、报警电路、电源电路、主电流电路和串并转换与数码显示电路相连，接口电路与主单片机电路相连，电源电路与主电流电路、电压调理电路、接口电路、报警电路、串并转换与数码显示电路及主单片机电路相连提供工作电压。

所述的主电流电路包括：单路常开常闭继电器、控制三极管和霍尔电流传感器，其中：单路常开常闭继电器与电源VCC相连接，控制三极管与继电器和主单片机电路相连接，霍尔电流传感器与主单片机电路相连接。

所述的电压调理电路为集成运放芯片，用于霍尔传感器输出的电压信号的调理，调理后的电压再送入主单片机电路用于A/D转换和电流数值计算。

所述的接口电路为RS485接口芯片，用于数字信号与差分信号的双向变换，是主单片机电路发送的电流和方向数据的通信媒介。

所述的电源电路内置电源管理芯片，该电源管理芯片的输入电压为12V，输出电压为5V。

所述的串并转换与数码显示电路，包括：串并转换芯片、7段码LED和驱动三极管，其中：串并转换芯片与主单片机电路相连接，7段码LED与串并转换芯片相连接，驱动三极管与主单片机电路和7段码LED相连接。

本发明的信息处理内容和流程为：主单片机电路接收到复位与起始按键电路输入的启动信号，主单片机电路启动定时程序并将吸合信号送至主电流电路。主电流电路继电器常开触点吸合后，主电流电路导通。其中的霍尔电流传感器将电流/电压变换之后的电压信号馈入电压调理电路调理后送入主单片机电路，经A/D转换后换算为主电流电路的电流数值。同时，霍尔电流传感器输出表示电流方向的0/1数字信号至主单片机回路。主单片机电路经三根I/O引脚分别输出电流方向信号、模拟时钟信号和电流数据信号至串并转换与数码显示电路，经串/并转换后分别用于电流方向和数据的显示。在电流数据超过额定数值或在特定时间内未换向时，主单片机电路输出报警驱动信号至报警电路，LED灯亮报警。至定时时间，主单片机电路输出释放信号至主电流电路。主电流电路继电器常开触点释放，主电流电路断开，一次检测完成。

与现有技术相比，本发明具有低成本、高精度的特点，直接采用霍尔电流传感器和8位MCU芯片实现I/V变换和A/D转换，省却了精确采样、放大和调理等信号处理环节；通讯方便、可靠性高，采用RS485网络与其他电路通讯，可运行工业标准的ModBUS协议，数据吞吐量可达2.5Mbps，可靠性高；组网能力强大，除或主单片机电路外，最多可连接31个网络节点；应用范围广，除可与RS485总线通讯外，还可与RS422网络接口和通讯；便于程序升级，所用MCU具有ISP能力，可非常方便地实现软件的更新、维护和升级。模拟两线接口，采用两根I/O引脚模拟I²C或TWI接口与串/并转换芯片接口，在节省硬件资源的同时简化控制软件设计，也提高了系统的通用性。系统稳定性好，EMC和EMI能力强。无需外部时钟电路和复位电路，仅需片上时钟电路和复位电路即可稳定工作。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为主电流电路示意图。

图3为电压调理电路示意图。

图4为接口电路示意图。

图5为复位与起始按键电路示意图。

图6为报警电路示意图。

图7为电源电路示意图。

图8为串并转换与数码显示电路示意图。

图9为主单片机电路示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：主电流电路a、电压调理电路b、接口电路c、复位与起始按键电路d、报警电路e、电源电路f、串并转换与数码显示电路g以及主单片机电路h，其中：主电流电路a以及电压调理电路b分别与主单片机电路h相连，主单片机电路h与电压调理电路b、接口电路c、复位与起始按键电路d、报警电路e、电源电路e、串并转换与数码显示电路g和主电流电路a相连，接口电路c与主单片机电路h相连，电源电路f分别与主电流电路a、电压调理电路b、接口电路c、复位与起始按键电路d、报警电路e、串并转换与数码显示电路g及主单片机电路h相连以提供+5V工作电压。

本实施例主单片机电路h接收到复位与起始按键电路d输入的启动信号，主单片机电路h启动定时程序并将吸合信号送至主电流电路a。主电流电路a继电器常开触点吸合后，主电流电路a导通。其中的霍尔电路传感器经电流/电压变换输出相应的电压信号至电压调理电路b，经调理后的电压信号馈入主单片机电路h，经A/D转换后换算为主电流电路的电流数值。霍尔电路传感器同时也输出表示电流方向的数字信号至主单片机电路h。主单片机电路h经三根I/O引脚分别输出电流方向信号、模拟时钟信号和电流数据信号至串并转换与数码显示电路g，经串/并转换后分别用于电流方向和数据的显示。在电流数据超过额定数值或在特定时间内未换向时，主单片机电路h输出报警驱动信号至报警电路e，LED灯亮报警并将故障信息通过接口电路c送至主控PC或其他装置。至定时时间，主单片机电路h输出释放信号至主电流电路a。主电流电路a继电器常开触点释放，主电流电路a断开，检测完成。

如图2所示，主电流电路a包括：接头J1-J2、继电器K1、续流二极管V1、三极管Q1、电阻R1、电容C1和霍尔电流传感器U1，其中：接头J1与霍尔电流传感器U1的IN1引脚相连，霍尔电流传感器U1的IN2引脚与继电器K1的COM端相连，VCC引脚与VCC相连，并经电容C1去耦至地，GND引脚接地，OUT1引脚和OUT2引脚与主单片机电路h相连，OUT引脚与电压调理电路b相连，继电器K1的NO端与接头J2相连，继电器K1线圈端口L2和L1分别与VCC电源和三极管Q1的E极相连，续流二极管V1负端与VCC电源相连，负端与三极管Q1的E极相连，并联作为继电器K1线圈的泄荷回路，三极管Q1的C极接地，B极经电阻R1和引出线与主单片机电路h相连。

所述的继电器K1，采用HK4100F-DC5V-SHG继电器，HK4100F-DC5V-SHG继电器为汇科公司的+5V线圈驱动电压，单路常开，单路常闭六触点微型机械继电器。工作参数：AC220V/3A或DC30V/3A。

所述的续流二极管V1，采用IN4007二极管，IN4007二极管由Dc Components公司。工作参数：最大允许反向电压1000V，最大正向允许电流1.0A。

所述的三极管Q1，采用S9012三极管，S9012三极管Q1由ETC公司生产。工作参数：直流增益300，集电极截止电流-0.2μA，发射极截止电流-0.1μA。

所述的霍尔电流传感器U1，采用THS-65霍尔电流传感器，THS-65霍尔电流传感器为日本NEC-Tokin公司生产的霍尔电流传感器。工作参数：工作电压+4.5-5.5V，功耗电流10-12mA，检测电流范围0-120mA。在负载RL＝10kΩ时，模拟输出＞3.5V。

如图3所示，电压调理电路b包括：电容C2、电阻R4-R6、高精度集成运放U2和电容C4，该电压调理电路b实现主电流电路a中霍尔电流传感器U1输出的电压模拟信号的缓冲和调理功能，其中：高精度集成运放U2的IN+引脚经电阻R4和引出线与主电流电路a中霍尔电流传感器U1的OUT引脚相连，V+引脚接VCC，并经C2去耦至地，引脚V-接GND，引脚OA经电阻R5和电阻R6接地，并经电容C4去耦至地，高精度集成运放U2的引脚IN-与电阻R5和电阻R6的共同端点相连构成电压放大环节，引脚OA同时与主单片机电路h相连。

所述的高精度集成运放U2采用OP196高精度集成运放芯片，OP196高精度集成运放芯片为AnalogDevice公司生产的轨至轨输出的高精度集成运放芯片。工作参数：工作电压+3～12V，增益带宽450kHz，功耗60μA，偏置电压＜300μV，开环增益为500V/mV。

如图4所示，所述的接口电路c包括：电容C5、RS485接口芯片U3、终端匹配电阻R8、稳压二极管D1-D2和接头J3，其中：RS485接口芯片U3的引脚VCC接VCC，并经电容C5去耦至地，引脚GND接地，引脚RO、引脚RE、引脚DE和引脚DI与主单片机电路h相连以完成数据接收、接收使能控制、发送使能控制和数据发送，引脚B和引脚A与接头J3相连，为保证RS485接口芯片U3工作的可靠性和安全性，引脚B和引脚A之间跨接了终端匹配电阻R8，并分别配置了稳压二极管D1-D2以完成电压钳位功能，稳压二极管D1-D2的正端接地，负端分别与引脚B和引脚A相连。

所述的RS485接口芯片U3采用MAX485芯片，MAX485RS485接口芯片为Maxim公司生产的半双工RS485/422收发器芯片。工作参数：工作电压+5V，2.5Mbps，-7V-+12V共模电压输入范围，传输延迟30ns，电流功耗120-500μA。

如图5所示，所述的复位与起始按键电路d包括：电阻R10和按键S1，其中：按键S1的引脚P1经电阻R10与VCC相连，与主单片机电路h相连以提供手动控制时的低电平有效启动信号，按键S1的引脚P2接地以构成VCC至地的直流通路。

如图6所示，所述的报警电路e包括：红色发光LED管LED1和限流电阻R12，其中：LED1正端经R12与VCC相连，负端与主单片机电路h相连提供报警信号。

如图7所示，所述的电源电路f包括：接头J4、电源管理芯片U5、电容C7和C9，其中：+7～12V的电压经J4的引脚P1接入，引脚P2为系统地，接头J4的引脚P1与电源管理芯片U5的引脚Vin相连，并经电容C7去耦至地，电源管理芯片U5的引脚GND接地，引脚Vout为系统提供+5V电源VCC，并经电容C9去耦至地。

所述的电源管理芯片U5采用L7805CV电源管理芯片，为ST公司生产的电源管理芯片。工作参数：输入电压+5-18V，输出电压+4.8-5.2V，输出电流1.5A。

如图8所示，所述的串并转换与数码显示电路g包括：电阻R17-R18、三极管Q5、串并转换芯片U7-U9和7段码LED DS1-DS4，其中：7段码LED DS1为电流方向显示LED，引脚g与三极管Q5的E极相连用于电流方向显示，引脚a～f和引脚dp接地，三极管Q5的B极经电阻R17和引出线与主单片机电路h相连，三极管Q5的C极经电阻R18与VCC相连用于电流方向显示驱动。7段码LED DS2-DS4的引脚a、b、c、d、e、f、g、dp分别与串并转换芯片U7-U9的引脚QA-QH相连，用于电流数值显示。串并转换芯片U7-U9的引脚CK并联，与主单片机电路h相连，用于电流显示数据的公共时钟。串并转换芯片U7-U9的引脚CLR并联，与主单片机电路h相连，用于电流显示数据的软件复位和清零。串并转换芯片U7的引脚A和引脚B并联，与串并转换芯片U8的引脚QH相连。串并转换芯片U8的引脚A和引脚B并联，与串并转换芯片U9的引脚QH相连。串并转换芯片U9的引脚A和引脚B并联，与主单片机电路h相连。串并转换芯片U7-U9工作于数据串联移出模式，用于含小数点在内的三位电流数据的显示。

所述的串并转换芯片U7-U9采用SN74LS164串并转换芯片，为Tl公司生产的8位串入/并出移位寄存器。工作参数：输入电压+4.5-5.5V，最大工作时钟25MHz，最大输出电流27mA。

所述的三极管Q5，采用S9013三极管，S9013三极管Q5由ETC公司生产。工作参数：直流增益300，集电极截止电流0.1μA，发射极截止电流0.1μA。

如图9所示，所述的主单片机电路h包括：单片机U11、电容C13、C15、C16和电感L1，其中：单片机U11的VCC引脚并联后与VCC相连，并经电容C13去耦至地。单片机U11的AVCC引脚经电感L1与VCC相连，并经电容C16去耦至地。引脚AREF经电容C15去耦至地。GND引脚并联后接地。引脚PB1/OC1A与串并转换与数码显示电路g中的电阻R17相连，组成电流方向显示回路。引脚PD0/RXD、引脚PD7/AIN1、引脚PD6/AIN0和引脚PD1/TXD分别与接口电路c中RS485接口芯片U3的引脚RO、引脚RE、引脚DE和引脚DI相连，完成数据接收、接收使能控制、发送使能控制和数据发送功能。引脚PD2/INT0与复位与起始按键电路d中按键S1的P1引脚相连，接收起始信号。引脚PD3/INT1与主电流电路a中电阻R1相连，组成主电流电路a通断控制硬件回路。引脚PD4/T0/XCK和引脚PD5/T1分别与主电流电路a中霍尔电流传感器U1的引脚OUT1和引脚OUT2相连，构成电流方向判断电路。引脚PC0/ADC0与报警电路e中红色发光LED管LED1的负端相连，构成报警输出控制信号。引脚PB0/ICP与串并转换与数码显示电路g中串并转换芯片U7-U9并联后的CLR引脚相连，用于电流显示数据的清零和保持控制信号。引脚PC4/ADC4与串并转换与数码显示电路g中串并转换芯片U9并联之后的A引脚和B引脚相连，用于电流数据输出信号。引脚PC5/ADC5经输出线与串并转换与数码显示电路g中串并转换芯片U7-U9并联之后的CK引脚相连，用于电流数据的脉冲输出信号。引脚ADC7与电压调理电路b中高精度集成运放U2的引脚OA相连，用于主电流电路a中电流数据的A/D变换和计算。

所述的单片机U11采用ATmega8单片机，ATmega8单片机U11为Atmel公司生产的AVRmega系列8位Flash MCU芯片。工作参数：8K Flash，1K SRAM，512B EEPROM，最大频率16MHz，+2.7-5.5V工作电压，2个带独立预分频器的8位定时器/计数器，1个带预分频器、比较模式和捕捉模式的16位定时器/计数器，3个PWM通道，6通道10位ADC，2通道8位ADC，TWI两线接口，SPI同步串口，可编程串行UART，片上模拟比较器，ISP能力，工作电流3.6mA。

下面对本实施例的具体工作过程说明：

1、系统上电与接入。经过接头J4接入+7-18V电压，电源电路f中的L7805CV电源管理芯片U5输出+5V电压为系统供电。将主电流电路a中的接头J1和J2接入待检测电路。

2、系统启动。工作在单机模式时，按复位与起始按键电路d中的按键S1。工作在网络模式时，主单片机电路h中ATmega8单片机U11接收到主控计算机经过接口电路c中的MAX485RS485接口芯片U3发送的起始命令后，定时程度启动并向主电流电路a中的HK4100F-DC5V-SHG继电器K1发送吸合指令。主电流电路a中的HK4100F-DC5V-SHG继电器K1吸合，主电路导通。

3、电流鉴向与数值检测。主电流电路a中的THS-65霍尔电流传感器U1工作，输出表示电流方向的OUT1和OUT2数字信号至主单片机电路h中的ATmega8单片机U11。同时，主电流电路a中的THS-65霍尔电流传感器U1输出电流/电压变换之后的模拟电压信号至电压调理电路b，电压调理电路b中的OP196高精度集成运放U2输出调理之后的电压信号至主单片机电路h中的ATmega8单片机U11，经A/D转换后换算为流经主电流电路a的电流。

4、显示与报警。主单片机电路h中的ATmega8单片机U11将电流方向信号和数值大小经三根I/O送至串并转换与数码显示电路g，分别显示电流方向和数值。电流数值超过额定数值或或在特定时间内未换向时，主单片机电路h中的ATmega8单片机U11输出报警驱动信号至报警电路e，报警电路e中的红色发光LED管LED1灯亮报警。工作在网络模式时，主单片机电路h中的ATmega8单片机U11将电流方向、数值和故障类型的信息编码、打包后经接口电路c中的MAX485RS485接口芯片U3和双绞屏蔽线送至主控计算机。

5、结束。在单机模式下，至定时时间或在网络模式下，主单片机电路h中的ATmega8单片机U11接收到主控计算机经双绞屏蔽线和接口电路c中的MAX485RS485接口芯片U3送至的停止信号后，输出释放信号至主电流电路a中的K4100F-DC5V-SHG继电器K1。主电流电路a中的K4100F-DC5V-SHG继电器K1的常开触点释放，主电流电路断开。

本实施例一般应用于汽车后视镜等微特电机检测场合。由于接口电路c中的MAX485RS485接口芯片U3的信号电平与RS422通讯网络信号兼容，所述的采用霍尔电流传感器的电流大小和方向检测装置也可作为RS422网络节点应用于RS422网络中。

本实施例中，因内含片上时钟电路和复位电路，主单片机电路h中ATmega8单片机U11无需外部时钟电路和复位电路即可正常工作。在节省硬件成本和电路板面积的同时，提高了系统的EMC和EMI能力。

本实施例中，霍尔电流传感器具有较大的模拟输出信号，无需繁琐的差分放大和带通滤波等处理经简单的缓冲和滤波后即可直接送入单片机进行A/D转换，在节省系统成本的同时提高了电流检测精度。

Claims (6)

1.一种基于霍尔电流传感器的电流检测装置，包括：主电流电路、电压调理电路、接口电路、复位与起始按键电路、报警电路、电源电路、串并转换与数码显示电路和主单片机电路，其特征在于：主电流电路和电压调理电路分别与主单片机电路相连，主单片机电路分别与接口电路、复位与起始按键电路、报警电路、电源电路、主电流电路和串并转换与数码显示电路相连，接口电路与主单片机电路相连，电源电路与主电流电路、电压调理电路、接口电路、报警电路、串并转换与数码显示电路及主单片机电路相连提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔电流传感器的电流检测装置，其特征是，所述的主电流电路包括：单路常开常闭继电器、控制三极管和霍尔电流传感器，其中：单路常开常闭继电器与电源VCC相连接，控制三极管与继电器和主单片机电路相连接，霍尔电流传感器与主单片机电路相连接。

3.根据权利要求1所述的基于霍尔电流传感器的电流检测装置，其特征是，所述的电压调理电路为集成运放芯片，用于霍尔传感器输出的电压信号的调理，调理后的电压再送入主单片机电路用于A/D转换和电流数值计算。

4.根据权利要求1所述的基于霍尔电流传感器的电流检测装置，其特征是，所述的接口电路为RS485接口芯片，用于数字信号与差分信号的双向变换，是主单片机电路发送电流和方向数据的通信媒介。

5.根据权利要求1所述的基于霍尔电流传感器的电流检测装置，其特征是，所述的电源电路内置电源管理芯片，该电源管理芯片的输入电压为12V，输出电压为5V。

6.根据权利要求1所述的基于霍尔电流传感器的电流检测装置，其特征是，所述的串并转换与数码显示电路，包括：串并转换芯片、7段码LED和驱动三极管，其中：其中：串并转换芯片与主单片机电路相连接，7段码LED与串并转换芯片相连接，驱动三极管与主单片机电路和7段码LED相连接。

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