新型交直流电流表

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A T89C51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0～5 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] ACS712电流测试；交直流电流表；高精度电流表

[中图分类号] TN710.9

Design of new AC / DC current meter

HU 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 unit. 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 production cost and small volume, etc., thus it is particularly suitable for high precision AC or DC current test in various fields such as the industrial, commercial and communication 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]。

被测对象

ACS712

电流测量芯片

LM358

放大器

A/D转换单片机

控制单元

LED 显示器

图2 ACS712封装及引脚名称

引脚 名称 引脚描述

1、2 IP+ 电流输入端 3、4 IP- 电流输出端

5 GND 接地

6 FILTE 外部带宽设置（1nF 电容到地）

7 OUT 模拟电压输出 8

VCC

电源（5V ）

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（在-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。

IP+1

FILTER 6VOUT 7IP-4

GND

5

IP+2IP-3VDD 8U1

ACS712

VCC 1nF

C51

2

P2

V12

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A 0通过电阻R f 和R 1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011f s R v v R ??

=+

???

求得。

所以该电路实现同相比例运算[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/0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 ）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[3]。

VCC C12104VCC P1_3_D P1_2_D P1_1_D P1_0_D A0A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND 10

A911

A1012

REF-13

REF+14CS 15DATA OUT 16ADDRESS 17IO CLOCK 18EOC 19

VCC 20IC7TLC1543

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。

V in

V out

G N D

7805

100uF

C1

100uF C2103

C3103

C4V CC

1

2

P 1

1K

R14

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 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。

P 0.0P 0.1P 0.2P 0.3P 0.4P 0.5P 0.6P 0.7

P 2.1P 2.3P 2.5P 2.7

P1.0

P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7

12M

C 1020P C 9

20P VC C

S124.7k

VCC

P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78R ST

9

XTAL218XTAL1

19

VSS 20

P2.122P2.324P2.526P2.7

28

P0.7

32

P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VC C 40U6

89c51

10K

R 722uF C 7VC C

图8 控制单元电路图

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，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。

Q1

Q2

Q3

Q4

P2_7

P2_1

P2_3

P2_5a b c d e f g dot a b c d e f g dot A

11B 7C 4D 2E 1F 10G 5DT

3

6

8

9

12

DG1

DG2DG3DG4GND

P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7

OC 1C

11

1D 21Q

192D 32Q 183D 43Q 174D 54Q 165D 65Q 156D 76Q

147D 87Q 138D

98Q 12

GND 10

Vcc 20U5

DM74LS573

VCC

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。

图10 程序设计框图

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AnJia DH8电流表进行了对比，将AnJia DH8电流表和本作品串联

在一个回路所测试的结果如表2所示。经对比，本设计与AnJia 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) 1 0.508 0.511 2 1.000 1.004 3

4.500

4.502

5 结语

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] .https://www.wendangku.net/doc/ce13379799.html,/view/c8903041a8956bec0975e368.html

[2]LM358.[EB/OL].(2012-0508)[2012-6-20].https://www.wendangku.net/doc/ce13379799.html,/view/2444219.htm.

[3] tlc1543——10位ADC 资料. [EB/OL].(2010-10-08)[2012-6-20] https://www.wendangku.net/doc/ce13379799.html,/view/aba0fceef8c75fbfc77db2b8.html [5]刘守义.单片机应用技术[M].西安: 西安电子科技大学出版社，2003:59-60

[6]马忠梅.单片机的C 语言应用程序设计:(第三版)[M].北京航空大学出版社，2003:27-29 [7]李全利.单片机原理及接口技术(第二版)[M].高等教育出版社，2009:99-100

[8]蔡文学，廖长荣.远程温度系统的设计[J].重庆文理学院学报：自然科学版，2006，5（4）：90-92.

通讯地址及邮编：重庆市永川区重庆文理学院电子电气工程学院 402160 联系电话：155******** E-mail:532864718@https://www.wendangku.net/doc/ce13379799.html,

开始

初始化

A/D 转换 显示00.00

数据处理

显示电流值 结束