新型交直流电流表

1、稿件编号：20120224收稿日期：2012-05-09作者简介：胡代洲（1989-）,男，重庆云阳人，主要从事测控技术方面的研究通信作者：廖长荣（1979-），男，重庆潼南人，实验师，主要从事电子电路设计方面的研究新型交直流电流表设计胡代洲，廖长荣（重庆文理学院电子电气工程学院，重庆永川402160）摘 要系统以AT89C51系列单片机为控制单元，介绍一种以ACS712霍尔电流测量芯片为测量工具的新型电流测试方式，系统电流测量范围为05 A,且具有结构新颖、电路简单、测试精确、生产成本低廉和体积小巧等优点，特别适合应用于工业、商业和通信系统等各个领域的高精度交流或直流电流测试。关键词ACS7

2、12电流测试；交直流电流表；高精度电流表中图分类号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 control un

3、it. 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 product ion cost and small volume, etc., thus it is

4、 particularly suitable for high precisi on AC or DC curre nt test in various fields such as the in dustrial, commercial and com muni cati on systems.Key words: ACS712current test; AC / DC current meter; high precision current meter;随着微电子技术的迅速发展和单片机的兴起，引起了测量、控制仪表领域新的技术革命。数字电流表采用 数字化测量技术，把连续的模拟量（电流）转换

5、成不连 续、离散的数字形式并加以显示。传统的指针式电流表 功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用 单片机的数字电压表，精度高、抗干扰能力强、可扩展 性强、集成方便，还可与 PC机进行实时通信，因此它 能够顺利地取代传统的指针仪表。1系统原理及基本框图如图1所示，将ACS712电流测量芯片串入到被测 电路中，电流流过该芯片内部时，芯片将流过的电流测 量后以对应的线性关系输出一个05 V的模拟电压，由于电压变化较小（mv级别），因此电压需要进行同相比 例运算放大，然后将放大后的模拟电压信号送给A/D转换器，由A/D转换成数字信号后送给单片机，单片机在内部按照事先设定好的线性关系对数字信号

6、进行计算 并控制LED显示出电流值。被测对象ACS712电流测量芯片LM358放大器1fLED显示器4单片机A/D转换控制单兀图1系统框图2硬件系统设计2.1 ACS712电流测量芯片介绍ACS712电流测量芯片集成了高精确的低偏置线性 霍尔传感器电路，其铜制的电流路径靠近晶片的表面。 通过铜制电流路径施加的电流能够生成可被晶片感应 并转化成为精确比例电压。因传导电流通路的内电阻 为mQ级，所以芯片具有较低的功率损耗。铜线的粗细 允许器件在高达5A的过电流条件下运行。如图3所示， 当引脚1、2到3、4的电流不断上升时，器件的输出电 压具有正斜率（VIOUT（Q）。被测电流通路的接线端 （1 和

7、2到3和4）与传感器电源引脚（5、8）之间具有电 气绝缘，故此ACS712电流传感器可应用于要求电气绝 缘的场合。ACS712采用小型的表面安装 SOIC8封装 （如图2左图为芯片引脚名称，右图为芯片封装形式）。 器件在出厂装运前已完全校准。芯片引脚描述如表1所示，被测电流高达5 A，故此在芯片上需将1、2脚和3、 4脚并联使用以保证芯片引脚能够承受最大电流。T心J GND引脚名称引脚描述1、2IP+电流输入端3、4IP-电流输岀端5GND接地6FILTE外部带宽设置（1nF电容到地）7OUT模拟电压输出8VCC电源（5V）表1 ACS712引脚描述图2 ACS712封装及引脚名称ACS712

8、的线性关系如图3所示。图3的横坐标表 示流过器件的电流值， 纵坐标表示电流对应的模拟输出 电压，由图3可知该器件运行稳定，随着温度的变化（在 -40150 C）基本上不影响器件精度。当电源 VCC接 上5V电压，流过器件的电流为 0A时输出电压并不是 0 V而是2.5 V ,故此在计算的时候我们需要注意，而这一特性刚好满足了交流电流的变化，因此该器件能够测量交流电流。图3 ACS712线性关系22 ACS712硬件设计说明ACS712硬件电路图如图 4所示，芯片 ACS712使 用时只需简单地进行电路搭建，为了能使芯片引脚能够承受系统最大电流，特此将芯片的1、2 （IP+ ）脚短接在一起，3、

9、4（ IP-）脚短接在一起，短接后连接到端口P2（测试端口），测试电流时只需将 P2串联到被测电路 中即可。给芯片 4脚（GND ）和8脚（Vcc）供电上5V电 压，在6脚接上一个1nF电容器就可增加频带宽度和抗 干扰能力。U1vccC51nF图4如图5所示，是由大器，信号电压通过电阻输出电压Ao通过电阻ACS712硬件电路图LM358构成的同相比例运算放Rs加到运放的同相输入端，Rf和R1反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。同相比例运算放大器输出电压由Vo = 1 +Vs求得。所以该电路实现同可丿相比例运算2。此处将变化的模拟信号放大 10倍以提高 精确度。放大后的信号送入到

10、 A/D转换器的A0通道。图5同相运算放大器1.1. A/D转换工作原理本设计 A/D 转换采用 TLC1543。TLC1543 是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器。器件 有3个输入端和 1个3态输出端，片选（ CS）、输 入/输出时钟 （I/O CLOCK ）、地址输入 （ADDRESS） 和数据输出（DATA OUT ），将这3个端口和主处 理器的I/O 口直接连接。这些器件端口可以和主机高 速传输数据。除了高速的转换器和通用的控制能力 外，器件有一个片内的14通道多路选择器，可以选择11个输入中的任何一个通道进行测试。器件的采样、保持是自动的。在转换结束时，转换结束”（EOC

11、）输出端变高以指示转换的完成。器件中 的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压对 输入电压采样，具有简化比率转换、刻度以及模拟 电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容 的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误 差。基准电压的正端REF+ （本设计接 Vcc ）被加到内部正基准端。负基准电压端REF-（本设计接地）被加到内部基准副端。测试电压范围取决于加在 REF+端与加在 REF-端的电压差决定叫P1. 0A0VCCA1EOCA2IO CLOCKA3ADDRESSA4 DATA OUTA5CSA6REF+A7REF-A8A10GNDA9IC7TLC1543A01 2345678910

12、VCC209 8 P1_0_D17 P1_1_D16 P1_2_D15 P1_3_DVCC1ZZC12104图6 A/D转换器外围配置测量端口的电压经 A/D转换后送入单片机进行 处理如图 6所示为TLC1543外围硬件配置。1.2.电源电路工作原理本系统所有供电电压都为5V ,且要求电压稳定。如图7所示，系统选用稳压芯片7805，该芯片具有良好的稳压和抗干扰能力,直流电经P1送入由C1滤波，C3去耦后由7805将电压稳定在 5V并输 出，输出电压经 C2再次滤波 C4去耦后供给系统电 源VCC端。R14和发光二极管构成电源指示电路， 系统正常通电后LED灯点亮。7805VC C97n c 1

13、0Ln 20 p1 9P162 2uF10KRST-iTTM20 P 2 0P1.0VC CP1.1P1.2P0.0P1.3P0.1P1.4P0.2P1.5P0.3P1.6P0.4P1.7P0.5P0.6R STP0.7XTAL1P2.1P2.3XTAL2P2.5P2.7VSSU689c51图8控制单元电路图VCC40VC C39L U.Z4. 7kS1 2P070P 0.722P2.1*4P2.3P2.5曽8P2.7P04P1C1100u21_C3103Vn VoutGIDVCCrrC4R14 1KC2100uF103图7电源电路1.3.单片机控制硬件设计单片机（U6 ）选用的是 ATMEL

14、公司新推出的AT89C51，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。如图8所示，C9、C10和石英晶体振荡器组成时钟电路，C7、R7组成上电复位电路。 U6的P0 口配置了 4.7K的排阻作上 拉电阻并作 LED数码管的段码输出端。P2 口部分引脚作LED数码管的位选端。P1 口部分引脚用于TLC1543控制端。1.4. LED显示器硬件设计系统显示部分如图9主要由锁存器 74LS573（U5 ）和LED共阴型数码管及4个PNP型三极管组成，在此处 74LS573主要负责驱动，由于单片机 的高电平的驱动能力有限，故此需要加一级驱动， 18D为信号输入端直接与单片机的P0

15、 口连接，1-8Q为输出端直接连接到数码管的段选引脚上。三 极管则是负责位选的，假如需要数码管的第1位显示，就在 LED的DG1端连接的三级管（Q4）基极给入低电平即可。若第二个数码管亮的时候就在 LED的DG2端连接的三级管（Q3）基极给入低电平即可。例如我们需要数码管的第4位显示0则先将0的断码送到单片机的P0 口，断码数据通过74LS573放大后送入到数码管的断码输入端。然后 将DG4位选端P2.7（Q1三极管的基极）送入低电平， 则数码管就在第 4位上显示0的数字。如果需要同时在 数码管上显示0123则先在第1位上显示0，然后在第2 位上显示1，以此类推，当切换的速度很快后人的眼睛 看

16、上去就像是同时显示的了（利用肉眼的暂留效应）。为什么要加三极管，原因同上，单片机不能直接驱动故 此需要三级管驱动。1DVcc2DC3D4D1Q5D2Q6D3Q7D4Q8D5Q6QoC7QGND8QU5P0.02_卩0.1 3=P0.2 4*P 5P0.46&P 7*19b18c17d16e15f14g13 dot12VCC20Pa11b 7 cid 24GDT ABCD efgdrlllII _lll_llI -1_1g 5do3e 1f10DG12 GD3 GDgNd图9 LED显示器原理3程序设计程序设计框图如图10所示，系统上电后开始执行 初始化，初始化完成后判断 A/D是否已启用，如果

17、没有 则在数码管显示上 00.00,然后按照 A/D转换TLC1543 的时序操作芯片对应的I/O 口使其进入模数转换且等待 第1次的转换完成，当转换完成后由单片机进行处理并 按照事先在程序内部进行运算，运算完成后将运算结果更新到LED显示器上。在一个回路所测试的结果如表2所示。经对比，本设计与An Jia DH8电流表的平均误差为3mA。表2 作品参数比较AnJia DH8(A)本作品(A)10.5080.51121.0001.00434.5004.5025结语4安装与调试本设计以51系列单片机为核心，利用电路板绘图工具Altium Designer 6.9将PCB制作好并刻板后即可 焊接。

18、设计没有其他繁杂的调试只需正确书写代码 下载到单片机中即可。数码管用于显示电流值，同 时使用运放 LM358进行小信号放大。该电路核心电 流测试原件为贴片封装，由于经电流传感器测试端 的电流较大，因此在设计电路板的时候必须考虑到 电流承载的问题。本设计电路简单核心器件体积小，因此完全可以按照需要将实物的体积大幅度减小。笔者在制作完成后与市面上的An Jia DH8电流表进行了对比，将An Jia DH8电流表和本作品串联本系统硬件结构简单，成本低廉，具有较强的 抗干扰能力，使用方便，实时性好，可应用于工农 业生产的各个领域的电流测量与控制。笔者只是对 ACS712电流测量芯片加以应用，功劳并不在于本 人，而在于 ALLEGRO公司所研发的高精度电流霍 尔传感器ACS712。在设计过程中遇到了很多的问题，在此感谢我的导师对本项目的指导及个人栽培。参考文献1 ACS712中文资料_描述(电流传感器)EB/OL.(2011-07-31)2012-6-20 . c8903041a8956bec0975e368.html2 LM358.EB/OL.(2012-0508)2012-6-20. view/2444219.htm.3 tlc1