淺析基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)

?安科瑞 鮑靜君

　　摘要：為了對臨震前動(dòng)物行為異常與電磁異常關(guān)系的研究，需要設(shè)計(jì)一款探測電磁信號(hào)的儀器，本文主要根據(jù)探測儀探頭的需求，使用霍爾電流傳感器模塊ACS712ELCTR-05B，設(shè)計(jì)了以STC89C52單片機(jī)為核心控制器電流檢測系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)思路，包括A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)的連接等。軟件部分使用protues軟件進(jìn)行電路模擬仿真，依照仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)體電路的搭建調(diào)試，以直流電壓源串聯(lián)電阻電路為例，對該回路電流進(jìn)行采集，將采集的顯示電流與數(shù)字萬用表檢測的電流相比較，兩者基本一致，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的霍爾電流檢測系統(tǒng)的正確性及穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞：霍爾傳感器;霍爾元件;霍爾

　　1引言

　　  由于地震發(fā)生前，將會(huì)產(chǎn)生一些物理或化學(xué)變化的影響，某些動(dòng)物可以覺察出一些異常變化，但是動(dòng)物的異常行為有可能是由其他的原因引起，并非是地震因素產(chǎn)生。為了對臨震前動(dòng)物行為異常與電磁異常關(guān)系的研究，需要設(shè)計(jì)一款探測電磁信號(hào)的儀器，本文主要根據(jù)探測儀探頭的需求，設(shè)計(jì)了一款基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)，便于對動(dòng)物行為異常與電磁異常的檢測。

　　  將半導(dǎo)體薄片放置在磁場中，電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢，此物理現(xiàn)象由物理學(xué)家霍爾（美）發(fā)現(xiàn)，我們稱之霍爾效應(yīng)，利用霍爾效應(yīng)制成的電流測試裝置稱為電流霍爾傳感器[1]。它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜，維修保護(hù)方便，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文利用ACS712霍爾傳感器設(shè)計(jì)了簡單的電流檢測系統(tǒng)，基于仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

　　2 ACS712工作原理

　　  本次使用的ACS712芯片完全基于霍爾感應(yīng)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，組成部分為：①霍爾傳感器的電路；②銅箔（接近IC表面）。當(dāng)電流從銅箔通過時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場,從而霍爾元件將依磁場感應(yīng)出一個(gè)電壓信號(hào)（成線性關(guān)系），其內(nèi)部電路將會(huì)對其放大、濾波、斬波、修正，可以輸出一個(gè)電壓，該電壓信號(hào)由ACS712第七管腳輸出，流經(jīng)銅箔電流強(qiáng)弱大小被直接反應(yīng)出來。

　　  ACS712參數(shù)規(guī)則是依照尾綴的不同，量程分為[3]：±5安、±20A、±30A。輸入與輸出基本成線性關(guān)系（在量程的范圍之內(nèi)），它的系數(shù)Sensitivity分別為：185mV/A、100mV/A、66mV/A。其輸出加于0.5倍的Vcc之上。ACS712的Vcc電源使用的是5V，其輸出電壓值在0.5V~4.5V之間。

　　ACS712ELCTR-05B輸入輸出曲線如圖1所示，無輸入電流時(shí)（即電流為0時(shí)），輸出2.5V電壓，準(zhǔn)確度是185mV/A（即斜率）。當(dāng)VCC=5V時(shí)，其輸入輸出關(guān)系式為[4-5]：

圖1 ACS712ELCTR-05B輸入輸出曲線

　　3電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　  本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)大體分為五個(gè)部分，如圖2所示。首先是被測電流產(chǎn)生部分：通過直流穩(wěn)壓電源帶滑動(dòng)變阻器負(fù)載產(chǎn)生電流，其次是霍爾傳感器模塊ACS712ELCTR-05B采集并將電流量轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換可接受的電壓量，進(jìn)而通過ADC0809轉(zhuǎn)換模塊將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入單片機(jī)模塊，由單片機(jī)控制以及算法還原使數(shù)碼管模塊顯示測量電流值。詳細(xì)分析說明如圖2所示。

圖2系統(tǒng)框圖

　　3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　  本次設(shè)計(jì)使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是ADC0809。它有A/D轉(zhuǎn)換器八位、多路開關(guān)八路以及相關(guān)組件。它是逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換器，而且可以直接和單片機(jī)相連接。

　　ADC0809的組成部分是：八路模擬開關(guān)、八路A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器、地址鎖存與譯碼器電路組成。其中A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量鎖存在三態(tài)輸出鎖存器之中，OE為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)方可傳送出去，具體如圖3所示。

圖3 ADC0809原理框圖

　　  因0809與0808功能引腳相似，本次設(shè)計(jì)使用protues軟件中0808仿真，單片機(jī)P1口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，如圖4所示。

圖4 ADC0809與單片機(jī)接線圖

　　3.1.2 霍爾傳感器與A\D轉(zhuǎn)換的連接。

　　  本次設(shè)計(jì)使用的霍爾傳感器ACS712ELCTR-05B輸出為一路電壓，所以只需使用A\D轉(zhuǎn)換模塊一路輸入即可，如圖5使用的是IN0通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖5霍爾原件與ADC0809連接圖

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　  本程序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)候，通過查詢EOC的標(biāo)志信號(hào)來檢測A/D轉(zhuǎn)換完畢否，如果完成，則把數(shù)據(jù)通過STC89C52單片機(jī)P1端口讀入，進(jìn)行公式計(jì)算，拆位，進(jìn)行數(shù)碼管顯示，具體如圖6所示。

圖6主程序流程圖

　　4仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　4.1 仿真驗(yàn)證

　　  在Protues軟件平臺(tái)上，搭建仿真模型，各個(gè)端口紅色代表高電平，藍(lán)色代表低電平，加入的電流表可清楚地看到程序運(yùn)行效果，十分方便于檢查電路正誤。在仿真模型中還插入了一個(gè)電壓探針（圖7中間藍(lán)色探頭）實(shí)時(shí)顯示電壓值，檢測十分方便。圖7顯示了設(shè)計(jì)測量電流為1.8A時(shí)的仿真電路，可以看出，仿真參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相吻合。

  圖7檢測電流為1.8A時(shí)顯示

　　  圖8為局部原理圖，即：ACS712ELCTR-05B仿真原理圖，分別加入了模擬電流表和模擬電壓表，當(dāng)被測回路電流為5.24A的時(shí)候，ACS712ELCTR-05B芯片輸出電壓為3.55V，完全符合芯片輸入輸出特性。

圖8 ACS712ELCTR-05B仿真原理圖

　　4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　4.2.1實(shí)體電路總示意圖。

　　  如圖9所示，此圖的描述完全與搭建的實(shí)體系統(tǒng)對應(yīng)，其連線與實(shí)體連線完全一致。系統(tǒng)由測量回路和系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，供電電源分別為電源A和B，其中測量回路與系統(tǒng)是通過霍爾傳感器無電接觸連接。

圖9硬件搭建總體示意圖

　　4.2.2 電路調(diào)試

　　  當(dāng)霍爾傳感器未接入待測電路時(shí)，霍爾傳感器ACS712ELCTR-05B模塊輸出電壓約為2.49V，如圖10所示，符合芯片輸出特性。當(dāng)待測電路使用5V電壓源帶負(fù)載，測得負(fù)載約為1.6Ω時(shí)，如圖11所示，測得電流約為3.0A，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖10被測電流為0A時(shí)ACS712ELCTR-05B輸出電壓

圖11 負(fù)載為1.6歐姆時(shí)電流測試

　　5安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

　　5.1產(chǎn)品介紹

　　  霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。

　　5.2產(chǎn)品選型

　　5.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表1

　　5.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表2

　　5.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

　　5.2.4直流漏電流傳感器

表4

　　6結(jié)束語

　　  本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于霍爾元件的電流檢測系統(tǒng)。其硬、軟件設(shè)計(jì)簡單、成本低，系統(tǒng)檢測精度在0.98以上，可滿足工業(yè)電流監(jiān)測，生產(chǎn)線，汽車工業(yè)，電池電流檢測，電流保護(hù)等領(lǐng)域，具有很高的實(shí)用價(jià)值。