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淺析基于霍爾傳感器的電流檢測(cè)系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)

2020-12-03 [2243]

?安科瑞 鮑靜君

  摘要:為了對(duì)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(cè)電磁信號(hào)的儀器,本文主要根據(jù)探測(cè)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(cè)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(duì)該回路電流進(jìn)行采集,將采集的顯示電流與數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)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(cè)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(jué)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(duì)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(cè)電磁信號(hào)的儀器,本文主要根據(jù)探測(cè)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(cè)系統(tǒng),便于對(duì)動(dòng)物行為異常與電磁異常的檢測(cè)。

    將半導(dǎo)體薄片放置在磁場(chǎng)中,電流流過(guò)時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),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(cè)試裝置稱為電流霍爾傳感器[1]。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜,維修保護(hù)方便,壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

  本文利用ACS712霍爾傳感器設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的電流檢測(cè)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*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(guò)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng),從而霍爾元件將依磁場(chǎng)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(duì)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(lái)。

    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(wú)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(cè)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(cè)電流產(chǎn)生部分:通過(guò)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(guò)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(cè)量電流值。詳細(xì)分析說(shuō)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(kāi)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(kāi)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(guò)查詢EOC的標(biāo)志信號(hào)來(lái)檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換完畢否,如果完成,則把數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)十分方便。圖7顯示了設(shè)計(jì)測(cè)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(cè)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(cè)回路電流為5.24A的時(shí)候,ACS712ELCTR-05B芯片輸出電壓為3.55V,*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*與搭建的實(shí)體系統(tǒng)對(duì)應(yīng),其連線與實(shí)體連線*一致。系統(tǒng)由測(cè)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(cè)量回路與系統(tǒng)是通過(guò)霍爾傳感器無(wú)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(cè)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(cè)電路使用5V電壓源帶負(fù)載,測(cè)得負(fù)載約為1.6Ω時(shí),如圖11所示,測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)量范圍寬精度高,過(guò)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(yáng)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(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表1

  5.2.2閉口式開(kāi)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(yǔ)

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

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