基于霍爾傳感器的鋁空氣電池電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鑫，賴忠喜

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研究所 浙江 臺(tái)州318000）

基于霍爾傳感器的鋁空氣電池電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鑫，賴忠喜

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研究所 浙江 臺(tái)州318000）

針對(duì)鋁空氣電池電流檢測(cè)系統(tǒng)的要求以及現(xiàn)有電流檢測(cè)系統(tǒng)存在的不足，提出了一種基于霍爾傳感器的鋁空氣電池電流檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，主要包括信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示和電源電路等部分，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁空氣電池電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示與超限報(bào)警的功能，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能滿足鋁空氣電池電流檢測(cè)的控制需求。

鋁空氣電池；控制系統(tǒng)；霍爾傳感器；電流檢測(cè)

目前，隨著各種各樣的新型綠色能源的迅猛的發(fā)展，鋁空氣電池由于具有成本低、能量密度大、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，其在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其地位以及重要性也日益凸顯，進(jìn)而對(duì)鋁空氣電池其本身的可靠性，性能，成本以及安全性等方面亦有更多和更嚴(yán)格的要求，為監(jiān)控鋁空氣電池的工作狀況，就必須對(duì)其電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警，以防止電流過(guò)流而燒壞部件和損壞鋁空氣電池的使用壽命。

目前通用的測(cè)量鋁空氣電池工作電流的方法是采用小電阻取樣法，即在電流檢測(cè)回路中串接分流器，通過(guò)檢測(cè)流過(guò)分流器兩端產(chǎn)生的壓降，然后通過(guò)運(yùn)放對(duì)壓降進(jìn)行放大處理，得到放大的輸出電壓，再將放大的輸出電壓送至ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送至MCU再進(jìn)行處理。這種電流檢測(cè)方法具有明顯的缺點(diǎn)：即損耗和溫漂較大，而且被測(cè)電流和檢測(cè)電路無(wú)電氣隔離效果，可靠性與安全性較差?；魻杺鞲衅魇且环N典型的非接觸式電流檢測(cè)元件，近年來(lái)在電氣測(cè)量領(lǐng)域備受親睞，它具有較高精度，良好線性度，低溫漂，響應(yīng)快，頻帶范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［4］。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，文中設(shè)計(jì)了基于霍爾傳感器的鋁空氣電池管理系統(tǒng)電流檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊和AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流采集，選用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示所測(cè)的電流檢測(cè)值，該裝置可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)所測(cè)的鋁空氣電池工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且可以通過(guò)按鍵根據(jù)不同鋁空氣電池的情況設(shè)置電流的上限值，一旦電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定的上限值，便立即觸發(fā)聲光報(bào)警。該鋁空氣電池電流檢測(cè)報(bào)警裝置具有高精度、低成本及高可靠性能的特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括單片機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路和聲光報(bào)警電路等部分所構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集電路又由霍爾傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路所構(gòu)成。系統(tǒng)通過(guò)鍵盤輸入電路設(shè)置鋁空氣電池工作電流的報(bào)警值，當(dāng)鋁空氣電池開(kāi)始工作時(shí)，霍爾電流傳感器將所測(cè)得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出的電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的處理輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)運(yùn)用相關(guān)算法對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理得到所測(cè)的電流值，并將其送到LCD液晶進(jìn)行顯示，同時(shí)所測(cè)的電流值也作為單片機(jī)控制聲光報(bào)警電路和繼電器輸出電路的依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)電路

單片機(jī)選用STC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，STC12C5A60S2單片機(jī)是一種高性能，低功耗，超強(qiáng)抗干擾的微控制器［5］，非常適合要求抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快的場(chǎng)合，圖2為單片機(jī)電路的原理圖。

圖2 單片機(jī)電路原理圖

圖3 電流采集電路原理圖

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路主要是將鋁空氣電池的工作電流采集輸入到單片機(jī)電路中，數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示，其主要由由霍爾傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路與A/D轉(zhuǎn)換電路3部分所組成。

霍爾電流傳感器選用Allegro公司推出的一種線性電流傳感器ACS712-30A，該期間內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測(cè)的交流或直流電流成正比例的電壓，具有噪聲低，響應(yīng)時(shí)間快，輸出靈敏度高和輸出總誤差低等優(yōu)點(diǎn)，使用方便，性價(jià)比高。該霍爾電流傳感器采用單電源+ 5V供電，采集電流范圍為：-30～30A，對(duì)應(yīng)輸出電壓：0.5～4.5V，輸出靈敏度為：66mV/A。

當(dāng)鋁空氣電池工作時(shí)，電流從0～30 A變化時(shí)，ACS712的輸出電壓Vout在2.5～4.5 V變化，而本系統(tǒng)所選用的A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)要求為0～2.048 V，因此必須通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，信號(hào)調(diào)理電路包括一個(gè)減法比例運(yùn)算電路和一個(gè)電壓跟隨器。減法比例運(yùn)算電路中采用了高精度的穩(wěn)壓芯片TL431作為2.5 V基準(zhǔn)參考電壓，采用圣邦微公司生產(chǎn)的SMG358作為運(yùn)算放大器。電路如圖3所示。

信號(hào)調(diào)理電路中，取R12=R13=1.65 kΩ，R11=R14=1.69 kΩ，則根據(jù)減法比例運(yùn)算電路特性有：

其中，V0為經(jīng)過(guò)減法比例運(yùn)算電路后的輸出電壓（范圍：0～2.048 V），Vout為霍爾傳感器輸出的電壓（范圍：2.5～4.5 V），Vin為參考基準(zhǔn)電壓2.5 V。從減法比例運(yùn)算電路輸出的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸入電阻大輸出電阻小的特性，主要起著濾除干擾達(dá)到可靠傳輸信號(hào)和隔離的目的。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司生產(chǎn)的ADS1110，它是一種精密，采用I2C協(xié)議可連續(xù)自校準(zhǔn)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。片內(nèi)自帶2.048 V+0.05%的基準(zhǔn)電壓，在本項(xiàng)目中采用單端輸入的方式。即引腳Vin+接信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)，引腳Vin-直接接地。當(dāng)采集到信號(hào)電壓值為0～2.048V量程中的任何一個(gè)值都可通過(guò)如下公式：

2.3 電源電路

電源電路主要為整個(gè)系統(tǒng)的電路提供電壓，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)各個(gè)元器件所需的供電電壓為12 V和5 V。其中12 V主要為繼電器提供電壓，5 V則為單片機(jī)芯片、霍爾電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片和其它的元器件供電。由于一般中型鋁空氣電池工作時(shí)的輸出電壓為20～50 V，因此采用LM2596HV-12 V芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)將20～50 V的電壓轉(zhuǎn)換為12 V的電壓，該款芯片為開(kāi)關(guān)電源，輸出電流高達(dá)3 A，并且具有功耗小，效率高，輸出線性度好和使用方便等特點(diǎn)，有效解決了電源發(fā)熱影響系統(tǒng)工作的問(wèn)題。采用串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源芯片LM2940實(shí)現(xiàn)將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V的電壓，該芯片具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。圖4為電源電路原理圖。

圖4 電源電路原理圖

2.4 鍵盤輸入與液晶顯示電路

鍵盤輸入電路與液晶顯示電路用于鋁空氣電池工作電流報(bào)警值的設(shè)置和實(shí)時(shí)電流值的顯示，鍵盤輸入電路設(shè)置了3個(gè)獨(dú)立按鍵S1，S2，S3，3個(gè)按鍵的作用分別是功能選擇鍵，電流+鍵，電流-鍵。液晶顯示電路采用了LCD1602字符型液晶顯示器。按鍵和液晶顯示器的工作過(guò)程如下：正常工作時(shí)，液晶顯示器處在實(shí)時(shí)顯示模式，此時(shí)，電流+鍵S2和電流-鍵S3無(wú)效，當(dāng)功能選擇鍵S1按下一次時(shí)，液晶顯示器進(jìn)入電流報(bào)警上限顯示模式，此時(shí)，每按一次電流+鍵S2，報(bào)警上限值就會(huì)往上加1 A，每按一次電流-鍵S3，報(bào)警上限值就往下減1 A，當(dāng)設(shè)置好報(bào)警上限值后，再按一次功能選擇鍵S1，則液晶顯示器回到實(shí)時(shí)顯示模式。通過(guò)對(duì)按鍵的操作可以方便的對(duì)電流報(bào)警上限值進(jìn)行更改，具有很強(qiáng)的操作靈活性。

圖5 鍵盤輸入與液晶顯示電路

2.5 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路用于當(dāng)鋁空氣電池工作時(shí)的電流超出報(bào)警值時(shí)的報(bào)警。該電路由一個(gè)紅色的LED燈和蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果當(dāng)檢測(cè)到所測(cè)電流值超過(guò)設(shè)定的報(bào)警上限值時(shí)，單片機(jī)控制聲光報(bào)警電路工作，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)紅色的LED燈閃爍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想［6］，先將系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后將各個(gè)模塊進(jìn)行組合聯(lián)調(diào)。本系統(tǒng)軟件均采用C語(yǔ)言編寫。主要包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、A/D采樣子程序、按鍵掃描子程序、報(bào)警子程序和LCD液晶顯示子程序等。主程序控制流程如圖5所示。系統(tǒng)工作時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接著通過(guò)按鍵電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電流報(bào)警上限值的設(shè)置，當(dāng)霍爾傳感器［7］檢測(cè)到電流時(shí)，單片機(jī)使A/D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣N次，并采用平均值濾波算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出當(dāng)前的電流值，如果所測(cè)電流值超過(guò)電流報(bào)警上限值即過(guò)流時(shí)，單片機(jī)將控制接在主電路的繼電器斷開(kāi)［8］，鋁空氣電池立即停止工作，同時(shí)單片機(jī)也會(huì)輸出信號(hào)至聲光報(bào)警電路中，蜂鳴器和 LED燈開(kāi)始報(bào)警，液晶顯示器上顯示“overcurrent alarm！”，反之，單片機(jī)將當(dāng)前所測(cè)電流值和事先所設(shè)置的電流報(bào)警上限值一起在LCD液晶進(jìn)行顯示，之后返回到按鍵掃描程序，重復(fù)下一個(gè)循環(huán)。

圖6 主程序流程圖

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種以STC12C5A60S2單片機(jī)和ACS712霍爾電流傳感器為核心的鋁空氣電池電流檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)按鍵設(shè)置不同的電流報(bào)警上限值［9］，并且可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)鋁空氣電池工作時(shí)的電流進(jìn)行采集、顯示與報(bào)警，可以很好的解決鋁空氣電池工作時(shí)因過(guò)載和過(guò)流降低其使用壽命的問(wèn)題。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，容易推廣。

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Design of current detection system for alum inum air batteries based on hall sensor

WANG Xin，LAIZhong-xi
（Electromechanical Institute of Taizhou Vocational&Technical College，Taizhou 318000，China）

To the requirements of current detection system for aluminum air batteries and weakness of current detection system，a current detection system for aluminum air batteries based on hall sensor is proposed.Taking STC12C5A60S2 microcontroller as the core，the system mainly includes signal regulation、A/D conversion、LCD display and power supply circuit，etc，it realizes the function such as real-time collection、display and transfinite alarm for the currentof the aluminum airbatteries.The designmethods of system hardware and software are fully described.Practicalapplication had shown that the system had the features such as:highmeasuring accuracy，simple operation and stable performance etc.Itcanmeet the control requirementsof currentdetection system foraluminum airbatteries.

aluminum air battery；control system；hall sensor；current detection

TM911.41

A

1674－6236（2016）20-0154-03

2015-09-24 稿件編號(hào)：201509167

浙江省教育廳科研項(xiàng)目資助（Y201533946）；臺(tái)州市大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2014DKC18）

王 鑫（1994—），男，浙江臺(tái)州人。研究方向：智能控制技術(shù)。