新型交直流電流表

1、稿件編號(hào)：20120224 收稿日期：2012-05-09作者簡(jiǎn)介：胡代洲（1989-），男，重慶云陽(yáng)人，主要從事測(cè)控技術(shù)方面的研究.通信作者：廖長(zhǎng)榮（1979-），男，重慶潼南人,實(shí)驗(yàn)師,主要從事電子電路設(shè)計(jì)方面的研究.新型交直流電流表設(shè)計(jì)胡代洲，廖長(zhǎng)榮（重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160）摘 要系統(tǒng)以AT89C51系列單片機(jī)為控制單元，介紹一種以ACS712霍爾電流測(cè)量芯片為測(cè)量工具的新型電流測(cè)試方式，系統(tǒng)電流測(cè)量范圍為05 A，且具有結(jié)構(gòu)新穎、電路簡(jiǎn)單、測(cè)試精確、生產(chǎn)成本低廉和體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域的高精度交流或直流電流測(cè)試。關(guān)鍵

2、詞 ACS712電流測(cè)試；交直流電流表；高精度電流表中圖分類號(hào) TN710.9Design of new AC / DC current meterHU Dai-zhou, LIAO Chang-rong(Department of Electronics and Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160，China)Abstract: The system uses AT89C51 series single-chip microcomputer as the cont

3、rol unit. This paper introduces a novel current test method which adopts ACS712Holzer current measurement chip as the measurement tool, with a measurement range of 0 5A. The system has the advantages of novel structure, simple circuit, accurate test, low production cost and small volume, etc., thus

4、it is particularly suitable for high precision AC or DC current test in various fields such as the industrial, commercial and communication systems.Key words: ACS712current test; AC / DC current meter; high precision current meter;隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和單片機(jī)的興起，引起了測(cè)量、控制儀表領(lǐng)域新的技術(shù)革命。數(shù)字電流表采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（電流）轉(zhuǎn)換成不

5、連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示。傳統(tǒng)的指針式電流表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，因此它能夠順利地取代傳統(tǒng)的指針儀表。1 系統(tǒng)原理及基本框圖如圖1所示，將ACS712電流測(cè)量芯片串入到被測(cè)電路中，電流流過(guò)該芯片內(nèi)部時(shí)，芯片將流過(guò)的電流測(cè)量后以對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系輸出一個(gè)05 V的模擬電壓，由于電壓變化較?。╩v級(jí)別），因此電壓需要進(jìn)行同相比例運(yùn)算放大，然后將放大后的模擬電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送給單片機(jī)，單片機(jī)在內(nèi)部按照事先設(shè)定好的線性關(guān)系對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并控制LED

6、顯示出電流值。被測(cè)對(duì)象ACS712電流測(cè)量芯片LM358放大器A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)控制單元LED顯示器圖1 系統(tǒng)框圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 ACS712電流測(cè)量芯片介紹ACS712電流測(cè)量芯片集成了高精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，其銅制的電流路徑靠近晶片的表面。通過(guò)銅制電流路徑施加的電流能夠生成可被晶片感應(yīng)并轉(zhuǎn)化成為精確比例電壓。因傳導(dǎo)電流通路的內(nèi)電阻為 m級(jí)，所以芯片具有較低的功率損耗。銅線的粗細(xì)允許器件在高達(dá)5A的過(guò)電流條件下運(yùn)行。如圖3所示，當(dāng)引腳1、2到3、4的電流不斷上升時(shí)，器件的輸出電壓具有正斜率 (>VIOUT(Q)。被測(cè)電流通路的接線端（1和2到3和4）與傳感器電

7、源引腳（5、8）之間具有電氣絕緣，故此ACS712 電流傳感器可應(yīng)用于要求電氣絕緣的場(chǎng)合。ACS712 采用小型的表面安裝SOIC8封裝（如圖2左圖為芯片引腳名稱，右圖為芯片封裝形式）。器件在出廠裝運(yùn)前已完全校準(zhǔn)。芯片引腳描述如表1所示，被測(cè)電流高達(dá)5 A，故此在芯片上需將1、2腳和3、4腳并聯(lián)使用以保證芯片引腳能夠承受最大電流1。圖2 ACS712封裝及引腳名稱引腳名稱引腳描述1、2IP+電流輸入端3、4IP-電流輸出端5GND接地6FILTE外部帶寬設(shè)置（1nF電容到地）7OUT模擬電壓輸出8VCC電源（5V）表1 ACS712引腳描述ACS712的線性關(guān)系如圖3所示。圖3的橫坐標(biāo)表示流過(guò)

8、器件的電流值，縱坐標(biāo)表示電流對(duì)應(yīng)的模擬輸出電壓，由圖3可知該器件運(yùn)行穩(wěn)定，隨著溫度的變化（在-40150 ）基本上不影響器件精度。當(dāng)電源VCC接上5 V電壓，流過(guò)器件的電流為0 A時(shí)輸出電壓并不是0 V而是2.5 V，故此在計(jì)算的時(shí)候我們需要注意，而這一特性剛好滿足了交流電流的變化，因此該器件能夠測(cè)量交流電流。圖3 ACS712線性關(guān)系2.2 ACS712硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明ACS712硬件電路圖如圖4所示，芯片ACS712使用時(shí)只需簡(jiǎn)單地進(jìn)行電路搭建，為了能使芯片引腳能夠承受系統(tǒng)最大電流，特此將芯片的1、2（IP+）腳短接在一起，3、4（IP-）腳短接在一起，短接后連接到端口P2（測(cè)試端口），測(cè)試電

9、流時(shí)只需將P2串聯(lián)到被測(cè)電路中即可。給芯片4腳（GND）和8腳(Vcc)供電上5V電壓，在6腳接上一個(gè)1nF電容器就可增加頻帶寬度和抗干擾能力。圖4 ACS712硬件電路圖如圖5所示，是由LM358構(gòu)成的同相比例運(yùn)算放大器，信號(hào)電壓通過(guò)電阻Rs加到運(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓A0通過(guò)電阻Rf和R1反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。同相比例運(yùn)算放大器輸出電壓由求得。所以該電路實(shí)現(xiàn)同相比例運(yùn)算2。此處將變化的模擬信號(hào)放大10倍以提高精確度。放大后的信號(hào)送入到A/D轉(zhuǎn)換器的A0通道。圖5 同相運(yùn)算放大器1.1. A/D轉(zhuǎn)換工作原理本設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換采用TLC1543。TLC1543是C

10、MOS、10位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。器件有3個(gè)輸入端和1個(gè)3態(tài)輸出端，片選（CS）、輸入/輸出時(shí)鐘（I/O CLOCK）、地址輸入（ADDRESS） 和數(shù)據(jù)輸出（DATA OUT），將這3個(gè)端口和主處理器的I/0口直接連接。這些器件端口可以和主機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，器件有一個(gè)片內(nèi)的14通道多路選擇器，可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試。器件的采樣、保持是自動(dòng)的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”（ EOC ）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓對(duì)輸入電壓采樣，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的

11、特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差?；鶞?zhǔn)電壓的正端REF+（本設(shè)計(jì)接Vcc）被加到內(nèi)部正基準(zhǔn)端。負(fù)基準(zhǔn)電壓端REF-（本設(shè)計(jì)接地）被加到內(nèi)部基準(zhǔn)副端。測(cè)試電壓范圍取決于加在REF+端與加在REF-端的電壓差決定3。圖6 A/D轉(zhuǎn)換器外圍配置測(cè)量端口的電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理如圖6所示為TLC1543外圍硬件配置。1.2. 電源電路工作原理本系統(tǒng)所有供電電壓都為5V，且要求電壓穩(wěn)定。如圖7所示，系統(tǒng)選用穩(wěn)壓芯片7805，該芯片具有良好的穩(wěn)壓和抗干擾能力，直流電經(jīng)P1送入由C1濾波，C3去耦后由7805將電壓穩(wěn)定在5V并輸出，輸出電壓經(jīng)C2再次濾波C4去耦后供給

12、系統(tǒng)電源VCC端。R14和發(fā)光二極管構(gòu)成電源指示電路，系統(tǒng)正常通電后LED燈點(diǎn)亮。圖7 電源電路1.3. 單片機(jī)控制硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)（U6）選用的是ATMEL公司新推出的AT89C51，該芯片具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，是采用CMOS工藝的8位單片機(jī)。如圖8所示，C9、C10和石英晶體振蕩器組成時(shí)鐘電路，C7、R7組成上電復(fù)位電路。U6的P0口配置了4.7K的排阻作上拉電阻并作LED數(shù)碼管的段碼輸出端。P2口部分引腳作LED數(shù)碼管的位選端。P1口部分引腳用于TLC1543控制端。圖8 控制單元電路圖1.4. LED顯示器硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)顯示部分如圖9主要由鎖存器74LS573（U5）和LED共陰型數(shù)碼

13、管及4個(gè)PNP型三極管組成，在此處74LS573主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，由于單片機(jī)的高電平的驅(qū)動(dòng)能力有限，故此需要加一級(jí)驅(qū)動(dòng)，18D為信號(hào)輸入端直接與單片機(jī)的P0口連接，1-8Q為輸出端直接連接到數(shù)碼管的段選引腳上。三極管則是負(fù)責(zé)位選的，假如需要數(shù)碼管的第1位顯示，就在LED的DG1端連接的三級(jí)管（Q4）基極給入低電平即可。若第二個(gè)數(shù)碼管亮的時(shí)候就在LED的DG2端連接的三級(jí)管（Q3）基極給入低電平即可。例如我們需要數(shù)碼管的第4位顯示0則先將0的斷碼送到單片機(jī)的P0口，斷碼數(shù)據(jù)通過(guò)74LS573放大后送入到數(shù)碼管的斷碼輸入端。然后將DG4位選端P2.7(Q1三極管的基極)送入低電平，則數(shù)碼管就在第4位上

14、顯示0的數(shù)字。如果需要同時(shí)在數(shù)碼管上顯示0123則先在第1位上顯示0，然后在第2位上顯示1，以此類推，當(dāng)切換的速度很快后人的眼睛看上去就像是同時(shí)顯示的了（利用肉眼的暫留效應(yīng)）。為什么要加三極管，原因同上，單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)故此需要三級(jí)管驅(qū)動(dòng)。圖9 LED顯示器原理3 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)框圖如圖10所示，系統(tǒng)上電后開(kāi)始執(zhí)行初始化，初始化完成后判斷A/D是否已啟用，如果沒(méi)有則在數(shù)碼管顯示上00.00，然后按照A/D轉(zhuǎn)換TLC1543的時(shí)序操作芯片對(duì)應(yīng)的I/O口使其進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換且等待第1次的轉(zhuǎn)換完成，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后由單片機(jī)進(jìn)行處理并按照事先在程序內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算完成后將運(yùn)算結(jié)果更新到LED顯示器上。開(kāi)

15、始初始化 A/D轉(zhuǎn)換顯示00.00數(shù)據(jù)處理顯示電流值結(jié)束圖10 程序設(shè)計(jì)框圖4 安裝與調(diào)試本設(shè)計(jì)以51系列單片機(jī)為核心，利用電路板繪圖工具Altium Designer 6.9將PCB制作好并刻板后即可焊接。設(shè)計(jì)沒(méi)有其他繁雜的調(diào)試只需正確書寫代碼下載到單片機(jī)中即可。數(shù)碼管用于顯示電流值，同時(shí)使用運(yùn)放LM358進(jìn)行小信號(hào)放大。該電路核心電流測(cè)試原件為貼片封裝，由于經(jīng)電流傳感器測(cè)試端的電流較大，因此在設(shè)計(jì)電路板的時(shí)候必須考慮到電流承載的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單核心器件體積小，因此完全可以按照需要將實(shí)物的體積大幅度減小。筆者在制作完成后與市面上的AnJia DH8電流表進(jìn)行了對(duì)比，將AnJia DH8電

16、流表和本作品串聯(lián)在一個(gè)回路所測(cè)試的結(jié)果如表2所示。經(jīng)對(duì)比，本設(shè)計(jì)與AnJia DH8電流表的平均誤差為3mA。表2 作品參數(shù)比較AnJia DH8(A)本作品(A)10.5080.51121.0001.00434.5004.5025 結(jié)語(yǔ)本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用方便，實(shí)時(shí)性好，可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域的電流測(cè)量與控制。筆者只是對(duì)ACS712電流測(cè)量芯片加以應(yīng)用，功勞并不在于本人，而在于ALLEGRO公司所研發(fā)的高精度電流霍爾傳感器ACS712。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多的問(wèn)題，在此感謝我的導(dǎo)師對(duì)本項(xiàng)目的指導(dǎo)及個(gè)人栽培。參考文獻(xiàn)1ACS712中文資料_描述(電流傳感器)EB/OL.(2011-07-31)2012-6-20 .2LM358.EB/OL.(2012-0508)2012-6-20.3 tlc