以32位MCU-HY16F198實現AC電流量測應用

　　一、 內容簡介

　　本文將介紹以HY16F198搭配Hall Sensor(WCS1800)進行交流電流數值量測，最大可量測電流范圍從0.1A~17.68A。本文實驗數據從0A~17.6A，比較使用電表Agilent 34401A與HY16F198透過交流信號計算出在不同頻率45Hz, 50Hz, 60Hz之間所得到的交流電流最大誤差率可以控制在3%以內。

　　二、 原理說明

　　量測原理

　　透過WCS1800將感應到的交流電流轉變為輸出電壓(Vout)，而輸出電壓(Vout)組成成分是包含(Vac)交流電壓訊號和(Vdc)直流電壓訊號混和而成的訊號，使用HY16F198量測輸出電壓(Vout)訊號，并且透過算法分析ADC Count數值，進而換算出相對感測到的交流電流負載。但需注意，透過Hall Sensor(WCS1800)轉出每1安培(A)的輸出電壓最大誤差為正負6mV，詳細的Hall Sensor特性規格表顯示在下一頁電器特性表。

　　Hall Sensor(WCS1800)因為本身的輸出電壓(Vout)帶有Vac交流電壓加上Vdc直流電壓混和成分， 而Vdc的數值為1/2 Vdd，因此, 本文應用使用HY16F198設定VDDA電壓為3V，并且于ADC緩存器內設定ADC輸入參考電壓放大倍數為VREF*1/2(VREF= VRPS-VRNS)，如把緩存器做為此設定， 可以準確的量測到輸入電壓最大范圍1.5V。但是這樣的連接，就無法量測到Hall Sensor的Vout輸出電壓范圍，所以需要在外部增加兩個分壓電阻，在ADC的AIO(0)與VDDA和VSS之間各串10k奧姆電阻做分壓，因此量測到的電壓數值再透過交流信號計算分析求出感應到的交流電流，并且由LCD Display做電流數值顯示。

　　Hall Sensor (WCS1800)

　　圖1 Hall Sensor(WCS1800)

　　圖2 Hall Sensor應用方塊圖

　　控制芯片

　　單片機簡介：HY16F系列32位高性能Flash單片機(HY16F198)

　　圖3 纮康HY16F系列32位高性能Flash單片機(HY16F198)

　　(1) 采用最新Andes 32位CPU核心N801處理器。

　　(2) 電壓操作范圍2.2~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

　　(3) 支持外部20MHz石英震蕩器或內部16MHz高精度RC震蕩器，擁有多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規劃。

　　(3.1) 運行模式 350uA@2MHz/2

　　(3.2) 待機模式 10uA@32KHz/2

　　(3.3) 休眠模式 2.5uA

　　(4) 程序內存64KBytes Flash ROM

　　(5)數據存儲器8KBytes SRAM。

　　(6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。

　　(7)24-bit高精準度ΣΔADC模擬數字轉換器

　　(7.1)內置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達128倍放大。

　　(7.2)內置溫度傳感器。

　　(8)超低輸入噪聲運算放大器。

　　(9)16-bit Timer A

　　(10)16-bit Timer B模塊具PWM波形產生功能

　　(11)16-bit Timer C 模塊具Capture/Compare 功能

　　(12)硬件串行通訊SPI模塊

　　(13)硬件串行通訊I2C模塊

　　(14)硬件串行通訊UART模塊

　　(15)硬件RTC時鐘功能模塊

　　(16)硬件Touch KEY功能模塊

　　三、 系統設計

　　硬件說明

　　HY16F198搭配Hall Sensor連接電路如下，AIO1與Hall Sensor的Vout接，AIO0透過10k電組分壓電路連接在VDDA與VSS之間，這樣就可以量測到帶有1/2VDDA的交流電壓訊號。

　　圖4 HY16F198與WCS1800 Hall Sensor 硬件線路連接圖

　　主要組件介紹

　　(1) MCU：HY16F198，功能為量測電信號、控制、運算包含功能為儲存校正參數。

　　(2) LCD Display：負責顯示量測出來的電流數值。

　　(3) 10K奧姆分壓電路 : 主要做為分壓電路應用，可以量測到帶有1/2VDDA的交流電壓訊號。

　　(4) Hall Sensor : 將感應到的交流電流轉換為Vac加上Vdc的混合電壓輸出訊號。