​安科(kē)瑞(ruì) 鮑靜君

　　摘要(yào)：為(wéi)了(liǎo)對(duì)臨震前動(dòng)物行為(wéi)異(yì)常與電磁(cí)異常關係(xì)的(dí)研究(jiū)，需要設計一款探測(cè)電(diàn)磁信(xìn)號的(dí)儀器，本(běn)文主(zhǔ)要根(gēn)據探測(cè)儀探頭(tóu)的需求，使(shǐ)用(yòng)霍爾電(diàn)流(liú)傳(chuán)感器模塊(kuài)ACS712ELCTR-05B，設計(jì)了以STC89C52單片機為核心控(kòng)製器電流(liú)檢測係(xì)統(tǒng)，並介(jiè)紹了該(gāi)係(xì)統硬件和(hé)軟(ruǎn)件的(dí)設(shè)計(jì)思路，包(bāo)括(kuò)A/D轉換(huàn)電路，A/D轉換與(yǔ)單(dān)片機的(dí)連(lián)接(jiē)等。軟件(jiàn)部(bù)分(fēn)使用(yòng)protues軟件(jiàn)進行電路模擬仿真(zhēn)，依照仿(fǎng)真結果進(jìn)行實體(tǐ)電(diàn)路(lù)的搭建調(tiáo)試(shì)，以(yǐ)直(zhí)流(liú)電(diàn)壓源串聯(lián)電阻電路為(wéi)例(lì)，對該(gāi)回路電流(liú)進(jìn)行采集，將(jiāng)采集(jí)的顯(xiǎn)示電流(liú)與(yǔ)數字萬(wàn)用表檢測的電流(liú)相(xiāng)比(bǐ)較，兩者基本(běn)一致，驗(yàn)證(zhèng)了所設計(jì)的(dí)霍爾電流檢測(cè)係統的正確性(xìng)及穩(wěn)定(dìng)性。

　　關(guān)鍵(jiàn)詞：霍爾傳(chuán)感器;霍爾元件;霍(huò)爾(ěr)

　　1引言(yán)

　　  由於地震(zhèn)發(fā)生(shēng)前，將會產生一(yī)些物理(lǐ)或化學(xué)變化(huà)的(dí)影(yǐng)響(xiǎng)，某些動(dòng)物(wù)可(kě)以(yǐ)覺(jué)察出一些(xiē)異常(cháng)變(biàn)化，但(dàn)是動物的異(yì)常行為有(yǒu)可能是(shì)由其他的原(yuán)因引起(qǐ)，並(bìng)非是地震因素(sù)產生。為了(liǎo)對(duì)臨(lín)震前(qián)動物行(háng)為(wéi)異常與電磁異(yì)常關係的研究，需要(yào)設計一款探(tàn)測(cè)電磁(cí)信號的儀(yí)器，本文主(zhǔ)要根據(jù)探(tàn)測儀探頭(tóu)的需求，設計了(liǎo)一(yī)款(kuǎn)基於霍爾傳(chuán)感(gǎn)器(qì)的電流(liú)檢(jiǎn)測係統，便於對動(dòng)物(wù)行(háng)為(wéi)異常與電(diàn)磁異常的(dí)檢測(cè)。

　　  將半(bàn)導體薄(báo)片(piàn)放置在磁場中(zhōng)，電流流過時(shí)，在垂直於電流和(hé)磁場的方向產生(shēng)電(diàn)動勢，此物(wù)理(lǐ)現象由物理學家霍爾（美）發現(xiàn)，我們(mén)稱之霍(huò)爾(ěr)效應(yīng)，利(lì)用霍爾(ěr)效應製成的電流測試裝置稱為(wéi)電流(liú)霍爾傳(chuán)感器[1]。它具有(yǒu)結構(gòu)簡(jiǎn)單(dān)，運(yùn)行(háng)可(kě)靠(kào)，價格(gé)便宜，維(wéi)修(xiū)保(bǎo)護方(fāng)便，壽(shòu)命長等(děng)優(yōu)點。

　　本文(wén)利(lì)用(yòng)ACS712霍爾(ěr)傳感(gǎn)器(qì)設計了簡單(dān)的電流檢測係統，基於仿(fǎng)真(zhēn)和(hé)實驗(yàn)平台驗證了(liǎo)設(shè)計的正確性。

　　2 ACS712工作(zuò)原理

　　  本次(cì)使(shǐ)用的(dí)ACS712芯片*基於霍爾感(gǎn)應的原理(lǐ)進行設計(jì)，組成部分(fēn)為：①霍爾傳感(gǎn)器的(dí)電(diàn)路；②銅箔（接近(jìn)IC表麵）。當電流從銅箔(bó)通過(guò)時(shí)，將(jiāng)會(huì)產生一個磁場(cháng),從而(ér)霍爾元件(jiàn)將(jiāng)依(yī)磁場(cháng)感應(yīng)出(chū)一個(gè)電壓(yā)信號(hào)（成(chéng)綫性(xìng)關係），其(qí)內(nèi)部電(diàn)路(lù)將會對其放(fàng)大，濾(lǜ)波，斬(zhǎn)波，修正，可以(yǐ)輸出一個(gè)電(diàn)壓(yā)，該電壓(yā)信號(hào)由ACS712第七管(guǎn)腳輸出(chū)，流經銅箔(bó)電(diàn)流強弱(ruò)大(dà)小被(bèi)直接反(fǎn)應(yīng)出(chū)來。

　　  ACS712參(cān)數規則是依(yī)照尾綴的不同，量程分(fēn)為[3]：±5安，±20A，±30A。輸入(rù)與(yǔ)輸出基本(běn)成綫(xiàn)性(xìng)關係(xì)（在(zài)量(liáng)程的範(fàn)圍之內），它的係(xì)數(shù)Sensitivity分別為：185mV/A，100mV/A，66mV/A。其(qí)輸出加於0.5倍的Vcc之上(shàng)。ACS712的(dí)Vcc電源使用(yòng)的是(shì)5V，其輸(shū)出(chū)電(diàn)壓值在0.5V~4.5V之(zhī)間。

　　ACS712ELCTR-05B輸(shū)入(rù)輸出曲(qū)綫(xiàn)如(rú)圖1所示，無輸入電流(liú)時(shí)（即電流為(wéi)0時），輸出(chū)2.5V電(diàn)壓，準(zhǔn)確度是(shì)185mV/A（即(jí)斜率）。當(dāng)VCC=5V時(shí)，其(qí)輸(shū)入輸出關係式(shì)為(wéi)[4-5]：

圖1 ACS712ELCTR-05B輸入(rù)輸(shū)出曲綫(xiàn)

　　3電流檢(jiǎn)測係統(tǒng)設計

　　3.1 硬件設計(jì)

　　  本(běn)係統(tǒng)具體(tǐ)實(shí)現(xiàn)大體分(fēn)為(wéi)五個部分，如圖(tú)2所(suǒ)示。首先(xiān)是(shì)被(bèi)測(cè)電(diàn)流(liú)產生(shēng)部(bù)分：通(tōng)過直流穩壓(yā)電源帶滑(huá)動(dòng)變阻器(qì)負(fù)載產生(shēng)電流，其(qí)次(cì)是霍(huò)爾傳(chuán)感(gǎn)器模(mó)塊(kuài)ACS712ELCTR-05B采(cǎi)集並將電流(liú)量轉換為(wéi)A/D轉換可(kě)接受的電(diàn)壓(yā)量(liáng)，進而通(tōng)過ADC0809轉(zhuǎn)換模(mó)塊(kuài)將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字(zì)量(liáng)輸入(rù)單片機模(mó)塊，由(yóu)單(dān)片機控製(zhì)以及算(suàn)法還(huán)原(yuán)使數碼(mǎ)管模(mó)塊顯示(shì)測(cè)量電流(liú)值(zhí)。詳細(xì)分(fēn)析說明(míng)如圖(tú)2所示。

圖(tú)2係(xì)統框圖

　　3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換(huàn)電路

　　  本(běn)次設計使(shǐ)用的(dí)A/D轉換芯片是(shì)ADC0809。它(tā)有(yǒu)A/D轉換(huàn)器八位(wèi)，多路(lù)開(kāi)關八路以及相關組件。它是(shì)逐次(cì)逼近(jìn)式的A/D轉換器，而且(qiě)可以直接(jiē)和單(dān)片機(jī)相連接。

　　ADC0809的組(zǔ)成部分是(shì)：八路(lù)模擬(nǐ)開關，八路A/D轉換器，三(sān)態(tài)輸(shū)出(chū)鎖存(cún)器，地址(zhǐ)鎖存與譯(yì)碼(mǎ)器(qì)電路(lù)組成(chéng)。其中A/D轉換完的數(shù)字量鎖(suǒ)存在(zài)三(sān)態(tài)輸出(chū)鎖(suǒ)存器之(zhī)中，OE為高(gāo)電(diàn)平時，數(shù)據(jù)方可傳送(sòng)出去，具體如圖(tú)3所(suǒ)示。

圖3 ADC0809原理(lǐ)框(kuàng)圖(tú)

　　  因0809與0808功(gōng)能(néng)引(yǐn)腳(jiǎo)相似，本(běn)次設計使用protues軟件中0808仿真，單(dān)片機P1口(kǒu)進行數(shù)據傳送，如圖(tú)4所(suǒ)示(shì)。

圖4 ADC0809與(yǔ)單(dān)片機(jī)接(jiē)綫圖(tú)

　　3.1.2 霍爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)與A\D轉(zhuǎn)換(huàn)的連(lián)接。

　　  本次設計使(shǐ)用(yòng)的(dí)霍爾傳感器ACS712ELCTR-05B輸(shū)出為一(yī)路電壓(yā)，所(suǒ)以(yǐ)隻(zhī)需使用A\D轉換模塊一(yī)路輸(shū)入(rù)即可，如(rú)圖(tú)5使用(yòng)的(dí)是IN0通道(dào)進行(háng)轉(zhuǎn)換(huàn)。

圖5霍(huò)爾原件與ADC0809連(lián)接(jiē)圖

　　3.2 軟件(jiàn)設計(jì)

　　  本(běn)程序進(jìn)行(háng)A/D轉換(huàn)的時(shí)候，通(tōng)過查詢EOC的(dí)標(biāo)誌(zhì)信號來(lái)檢(jiǎn)測A/D轉(zhuǎn)換(huàn)完畢(bì)否，如果完成，則把數據通過STC89C52單(dān)片(piàn)機(jī)P1端(duān)口(kǒu)讀入，進行公式(shì)計(jì)算(suàn)，拆位(wèi)，進行(háng)數(shù)碼管顯示(shì)，具體如(rú)圖6所示(shì)。

圖(tú)6主程(chéng)序(xù)流程圖

　　4仿(fǎng)真和實驗驗(yàn)證

　　4.1 仿真驗證

　　  在Protues軟(ruǎn)件(jiàn)平(píng)台(tái)上，搭建(jiàn)仿真模型，各(gè)個端口紅(hóng)色(sè)代(dài)表(biǎo)高電平(píng)，藍(lán)色代表(biǎo)低電(diàn)平(píng)，加入(rù)的(dí)電流表(biǎo)可清(qīng)楚地看到(dào)程序(xù)運行效果，十分(fēn)方便(biàn)於檢(jiǎn)查電(diàn)路(lù)正誤(wù)。在(zài)仿(fǎng)真模型中還插入了一(yī)個(gè)電(diàn)壓(yā)探(tàn)針(zhēn)（圖(tú)7中(zhōng)間藍(lán)色探(tàn)頭）實時(shí)顯示(shì)電壓值(zhí)，檢(jiǎn)測(cè)十分方便。圖(tú)7顯示(shì)了(liǎo)設計(jì)測(cè)量電流為(wéi)1.8A時的(dí)仿真電路，可以看(kàn)出(chū)，仿真參(cān)數(shù)與設計參(cān)數(shù)相吻合。

  圖7檢(jiǎn)測電(diàn)流為(wéi)1.8A時顯示(shì)

　　  圖8為局(jú)部原理(lǐ)圖，即(jí)：ACS712ELCTR-05B仿真原(yuán)理圖(tú)，分別(bié)加(jiā)入了模擬電流表和模(mó)擬電壓表，當被(bèi)測回(huí)路電(diàn)流為(wéi)5.24A的時候(hòu)，ACS712ELCTR-05B芯片輸出電(diàn)壓為3.55V，*符(fú)合芯(xīn)片(piàn)輸入(rù)輸(shū)出(chū)特性。

圖8 ACS712ELCTR-05B仿真原理圖

　　4.2實驗(yàn)驗證

　　4.2.1實體電路總(zǒng)示(shì)意圖。

　　  如圖9所(suǒ)示，此(cǐ)圖的(dí)描(miáo)述*與(yǔ)搭(dā)建(jiàn)的實體係統(tǒng)對(duì)應(yīng)，其連綫(xiàn)與(yǔ)實體連(lián)綫*一致(zhì)。係(xì)統由測量回(huí)路(lù)和係(xì)統(tǒng)兩大部(bù)分構成，供(gōng)電電(diàn)源(yuán)分(fēn)別為電(diàn)源A和B，其中測量回路與係統是通過霍(huò)爾(ěr)傳感(gǎn)器無(wú)電接觸(chù)連(lián)接(jiē)。

圖9硬件搭建總體示意(yì)圖(tú)

　　4.2.2 電路(lù)調(tiáo)試(shì)

　　  當霍爾傳感(gǎn)器未接入待測(cè)電路時，霍(huò)爾傳感(gǎn)器ACS712ELCTR-05B模塊輸(shū)出(chū)電壓(yā)約為(wéi)2.49V，如圖10所示，符(fú)合芯片(piàn)輸出特性(xìng)。當(dāng)待測(cè)電路(lù)使(shǐ)用(yòng)5V電(diàn)壓(yā)源(yuán)帶負載，測(cè)得負載約為(wéi)1.6Ω時，如(rú)圖11所示，測(cè)得電(diàn)流(liú)約(yuē)為3.0A，與理(lǐ)論計算(suàn)結(jié)果相吻(wěn)合(hé)，驗(yàn)證了(liǎo)設計(jì)的正確性。

圖10被(bèi)測(cè)電(diàn)流(liú)為(wéi)0A時ACS712ELCTR-05B輸出電壓

圖(tú)11 負(fù)載(zǎi)為(wéi)1.6歐姆時電(diàn)流(liú)測試(shì)

　　5安(ān)科瑞(ruì)霍爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)產品選型(xíng)

　　5.1產品(pǐn)介(jiè)紹(shào)

　　  霍(huò)爾(ěr)電流(liú)傳(chuán)感(gǎn)器主(zhǔ)要適用於交流(liú)，直(zhí)流，脈(mài)衝(chōng)等(děng)復(fù)雜信號的隔離(lí)轉(zhuǎn)換(huàn)，通過霍爾效(xiào)應(yīng)原理(lǐ)使變換後(hòu)的信號(hào)能夠直(zhí)接被AD，DSP，PLC，二(èr)次儀(yí)表(biǎo)等各種(zhǒng)采集裝(zhuāng)置直接采(cǎi)集(jí)和(hé)接(jiē)受(shòu)，響應時(shí)間(jiān)快(kuài)，電(diàn)流(liú)測(cè)量範圍寬精(jīng)度高，過載能力強，綫性(xìng)好(hǎo)，抗(kàng)幹擾能力強。適(shì)用於電流監(jiān)控(kòng)及電池應(yīng)用，逆(nì)變電源(yuán)及太陽能電(diàn)源(yuán)管(guǎn)理係(xì)統，直流(liú)屏及直流馬達驅(qū)動(dòng)，電(diàn)鍍，焊接(jiē)應用，變頻(pín)器，UPS伺服控製(zhì)等係(xì)統電流信(xìn)號采集和反饋控製(zhì)。

　　5.2產品選(xuǎn)型

　　5.2.1開口式開環霍(huò)爾(ěr)電(diàn)流(liú)傳感器

表(biǎo)1

　　5.2.2閉口式開環霍爾電(diàn)流傳(chuán)感(gǎn)器(qì)

表2

　　5.2.3閉環霍(huò)爾電流(liú)傳(chuán)感器

表(biǎo)3

　　5.2.4直流(liú)漏電(diàn)流傳感器(qì)

表4

　　6結束(shù)語

　　  本設計實(shí)現了基(jī)於(yú)霍爾(ěr)元件(jiàn)的電流檢測(cè)係統。其硬，軟(ruǎn)件(jiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成(chéng)本(běn)低，係統檢(jiǎn)測精度(dù)在(zài)0.98以(yǐ)上，可滿足工(gōng)業(yè)電流監測，生產綫，汽車工(gōng)業(yè)，電池(chí)電流檢(jiǎn)測，電流保護等(děng)領域(yù)，具有很(hěn)高的實(shí)用(yòng)價(jià)值。