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浅析基于霍尔传感器的电流检测系统的选型与设计

2020-12-03 [81]

​安科瑞 鲍静君

  摘要:为了对临震前动物行为异常与电磁异常关系的研究,需要设计一款探测电磁信号的仪器,本文主要根据探测仪探头的需求,使用霍尔电流传感器模块ACS712ELCTR-05B,设计了以STC89C52单片机为核心控制器电流检测系统,并介绍了该系统硬件和软件的设计思路,包括A/D转换电路,A/D转换与单片机的连接等。软件部分使用protues软件进行电路模拟仿真,依照仿真结果进行实体电路的搭建调试,以直流电压源串联电阻电路为例,对该回路电流进行采集,将采集的显示电流与数字万用表检测的电流相比较,两者基本一致,验证了所设计的霍尔电流检测系统的正确性及稳定性。

  关键词:霍尔传感器;霍尔元件;霍尔

  1引言

    由于地震发生前,将会产生一些物理或化学变化的影响,某些动物可以觉察出一些异常变化,但是动物的异常行为有可能是由其他的原因引起,并非是地震因素产生。为了对临震前动物行为异常与电磁异常关系的研究,需要设计一款探测电磁信号的仪器,本文主要根据探测仪探头的需求,设计了一款基于霍尔传感器的电流检测系统,便于对动物行为异常与电磁异常的检测。

    将半导体薄片放置在磁场中,电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向产生电动势,此物理现象由物理学家霍尔(美)发现,我们称之霍尔效应,利用霍尔效应制成的电流测试装置称为电流霍尔传感器[1]。它具有结构简单、运行可靠、价格便宜,维修保护方便,寿命长等优点。

  本文利用ACS712霍尔传感器设计了简单的电流检测系统,基于仿真和实验平台验证了设计的正确性。

  2 ACS712工作原理

    本次使用的ACS712芯片完全基于霍尔感应的原理进行设计,组成部分为:①霍尔传感器的电路;②铜箔(接近IC表面)。当电流从铜箔通过时,将会产生一个磁场,从而霍尔元件将依磁场感应出一个电压信号(成线性关系),其内部电路将会对其放大、滤波、斩波、修正,可以输出一个电压,该电压信号由ACS712第七管脚输出,流经铜箔电流强弱大小被直接反应出来。

    ACS712参数规则是依照尾缀的不同,量程分为[3]:±5安、±20A、±30A。输入与输出基本成线性关系(在量程的范围之内),它的系数Sensitivity分别为:185mV/A、100mV/A、66mV/A。其输出加于0.5倍的Vcc之上。ACS712的Vcc电源使用的是5V,其输出电压值在0.5V~4.5V之间。

  ACS712ELCTR-05B输入输出曲线如图1所示,无输入电流时(即电流为0时),输出2.5V电压,准确度是185mV/A(即斜率)。当VCC=5V时,其输入输出关系式为[4-5]:

图1 ACS712ELCTR-05B输入输出曲线

  3电流检测系统设计

  3.1 硬件设计

    本系统具体实现大体分为五个部分,如图2所示。首先是被测电流产生部分:通过直流稳压电源带滑动变阻器负载产生电流,其次是霍尔传感器模块ACS712ELCTR-05B采集并将电流量转换为A/D转换可接受的电压量,进而通过ADC0809转换模块将模拟电压量转换为数字量输入单片机模块,由单片机控制以及算法还原使数码管模块显示测量电流值。详细分析说明如图2所示。

图2系统框图

  3.1.1 A/D转换电路

    本次设计使用的A/D转换芯片是ADC0809。它有A/D转换器八位、多路开关八路以及相关组件。它是逐次逼近式的A/D转换器,而且可以直接和单片机相连接。

  ADC0809的组成部分是:八路模拟开关、八路A/D转换器、三态输出锁存器、地址锁存与译码器电路组成。其中A/D转换完的数字量锁存在三态输出锁存器之中,OE为高电平时,数据方可传送出去,具体如图3所示。

图3 ADC0809原理框图

    因0809与0808功能引脚相似,本次设计使用protues软件中0808仿真,单片机P1口进行数据传送,如图4所示。

图4 ADC0809与单片机接线图

  3.1.2 霍尔传感器与A\D转换的连接。

    本次设计使用的霍尔传感器ACS712ELCTR-05B输出为一路电压,所以只需使用A\D转换模块一路输入即可,如图5使用的是IN0通道进行转换。

图5霍尔原件与ADC0809连接图

  3.2 软件设计

    本程序进行A/D转换的时候,通过查询EOC的标志信号来检测A/D转换完毕否,如果完成,则把数据通过STC89C52单片机P1端口读入,进行公式计算,拆位,进行数码管显示,具体如图6所示。

图6主程序流程图

  4仿真和实验验证

  4.1 仿真验证

    在Protues软件平台上,搭建仿真模型,各个端口红色代表高电平,蓝色代表低电平,加入的电流表可清楚地看到程序运行效果,十分方便于检查电路正误。在仿真模型中还插入了一个电压探针(图7中间蓝色探头)实时显示电压值,检测十分方便。图7显示了设计测量电流为1.8A时的仿真电路,可以看出,仿真参数与设计参数相吻合。

  图7检测电流为1.8A时显示

    图8为局部原理图,即:ACS712ELCTR-05B仿真原理图,分别加入了模拟电流表和模拟电压表,当被测回路电流为5.24A的时候,ACS712ELCTR-05B芯片输出电压为3.55V,完全符合芯片输入输出特性。

图8 ACS712ELCTR-05B仿真原理图

  4.2实验验证

  4.2.1实体电路总示意图。

    如图9所示,此图的描述完全与搭建的实体系统对应,其连线与实体连线完全一致。系统由测量回路和系统两大部分构成,供电电源分别为电源A和B,其中测量回路与系统是通过霍尔传感器无电接触连接。

图9硬件搭建总体示意图

  4.2.2 电路调试

    当霍尔传感器未接入待测电路时,霍尔传感器ACS712ELCTR-05B模块输出电压约为2.49V,如图10所示,符合芯片输出特性。当待测电路使用5V电压源带负载,测得负载约为1.6Ω时,如图11所示,测得电流约为3.0A,与理论计算结果相吻合,验证了设计的正确性。

图10被测电流为0A时ACS712ELCTR-05B输出电压

图11 负载为1.6欧姆时电流测试

  5安科瑞霍尔传感器产品选型

  5.1产品介绍

    霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

  5.2产品选型

  5.2.1开口式开环霍尔电流传感器

表1

  5.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

表2

  5.2.3闭环霍尔电流传感器

表3

  5.2.4直流漏电流传感器

表4

  6结束语

    本设计实现了基于霍尔元件的电流检测系统。其硬、软件设计简单、成本低,系统检测精度在0.98以上,可满足工业电流监测,生产线,汽车工业,电池电流检测,电流保护等领域,具有很高的实用价值。