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)

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，電流流過該芯片內(nèi)部時(shí)，芯片將流過的電流測(cè)量后以對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系輸出一個(gè)0～5 V的模擬電壓，由于電壓變化較小(mV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AD轉(zhuǎn)換器，由AD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顯示出電流值.

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)化成為精確比例的電壓.因傳導(dǎo)電流通路的內(nèi)電阻為mΩ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)5 A的過電流條件下運(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

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(－40～+150℃)基本上不影響器件精度.當(dāng)電源VCC接上5 V電壓，流過器件的電流為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5 V電壓，在6腳接上一個(gè)1 nF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)電壓通過電阻Rs加到運(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓A0通過電阻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v0=求得.所以該電路能夠?qū)崿F(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AD轉(zhuǎn)換器的A0通道.

圖5 同相運(yùn)算放大器

2.2.2 電源電路工作原理

本系統(tǒng)所有供電電壓都為5 V，且要求電壓穩(wěn)定.如圖7所示，系統(tǒng)選用穩(wěn)壓芯片LM7805，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LM7805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6 A D轉(zhuǎn)換器外圍配置

圖7 電源電路

2.2.3 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4.7 K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

2.2.4 LED 顯示器硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)顯示部分如圖9所示，主要由鎖存器74LS573(U5)和LED共陰型數(shù)碼管及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).1～8D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)上電后開始執(zhí)行初始化，初始化完成后判斷AD是否已啟用，如果沒有則在數(shù)碼管上顯示00.00，然后按照AD轉(zhuǎn)換TLC1543的時(shí)序操作芯片對(duì)應(yīng)的IO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)行處理并按照事先的設(shè)定在程序內(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.

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，由于流經(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.

圖10 程序設(shè)計(jì)框圖

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3 mA.

表2 作品參數(shù)比較

5 結(jié)語

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.

［1］佚名.ACS712中文資料_描述(電流傳感器)［DB/OL］.(2011－07－31)［2012 －6 －20］.http://wenku.baidu.com/view/c8903041a8956bec0975e368.html.

［2］佚名.LM358［DB/OL］.(2012 －0508)［2012－6 －20］.http://baike.baidu.com/view/2444219.htm.

［3］佚名.tlc1543——10 位 ADC 資料.［DB/OL］.(2010－10 －08)［2012 －6 －20］.http://wenku.baidu.com/view/aba0 fceef8c75 fbfc77db2b8.html.

［5］劉守義.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003:59－60.

［6］馬忠梅.單片機(jī)的 C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì):第3版［M］.北京:北京航空大學(xué)出版社，2003:27－29.

［7］李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù):第2版［M］.北京:高等教育出版社，2009:99－100.

［8］蔡文學(xué)，廖長(zhǎng)榮.遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，5(4):90－92.