新型交直流电流表设计

2012-09-12胡代洲廖长荣

重庆高教研究 2012年5期

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)

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0～5 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AD转换器，由AD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进行计算并控制LED显示出电流值.

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的电压.因传导电流通路的内电阻为mΩ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5 A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［1］.

图2 ACS712封装及引脚名称

表1 ACS712引脚描述

ACS712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(－40～+150℃)基本上不影响器件精度.当电源VCC接上5 V电压，流过器件的电流为0 A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

2.2 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、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5 V电压，在6脚接上一个1 nF电容器就可增加频带宽度和抗干扰能力.

图4 ACS712硬件电路图

如图5所示，是由LM358构成的同相比例运算放大器，信号电压通过电阻Rs加到运放的同相输入端，输出电压A0通过电阻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v0=求得.所以该电路能够实现同相比例运算［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AD转换器的A0通道.

图5 同相运算放大器

2.2.2 电源电路工作原理

本系统所有供电电压都为5 V，且要求电压稳定.如图7所示，系统选用稳压芯片LM7805，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LM7805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.

图6 A D转换器外围配置

图7 电源电路

2.2.3 单片机控制硬件设计

单片机(U6)选用的是ATMEL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4.7 K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.

图8 控制单元电路图

2.2.4 LED 显示器硬件设计

系统显示部分如图9所示，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.1～8D为信号输入端直接与单片机的P0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.

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AD是否已启用，如果没有则在数码管上显示00.00，然后按照AD转换TLC1543的时序操作芯片对应的IO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的设定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.

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.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，由于流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.