基于ACS712的電流實時監(jiān)測系統(tǒng)研究

長江大學電子信息學院 何小英

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)及智能家居理念的不斷深入，小到節(jié)能燈，大到空調(diào)、熱水器等大功率電器的使用，均可逐步實現(xiàn)其智能控制及遠程管理。使用合適的方法對用電設(shè)備的工作電流進行監(jiān)測，可反映用電設(shè)備的工作狀態(tài)，對設(shè)備的遠程控制及安防系統(tǒng)具有重要意義。本文提出的基于ACS712電流實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對不同功率負載的直流或交流電流的準確測量，解決了部分傳統(tǒng)電流檢測方法存在的絕緣困難、成本高、測量精度低等問題[1]。

1 電流檢測及采樣方法

本文提出的電流監(jiān)測系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容為：電流檢測的方法確定和硬件實現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)采樣處理的方法研究。

1.1 電流檢測方法

電流的檢測方法可分為兩種，一種是基于歐姆定律，通過檢測加在負載一邊的精密電阻兩端電壓來判斷負載工作電流大小；另一種是使用基于電磁感應原理的芯片級傳感器，將其串聯(lián)在電流回路中，根據(jù)其輸出的電流或電壓信號測得負載工作電流。前者成本低，但精密電阻的選擇較難且無隔離效果，可靠性不高；后者電路簡單，可針對不同測量范圍的直流或交流進行檢測并應用于不同領(lǐng)域，具備較好的可靠性。

本文選用基于電磁感應原理的Allegro電流傳感器ACS712，該器件是單電源+5V供電，具備66至185mv/A的輸出靈敏度，其輸出電壓與交流或直流電流成比例[2]，具有極穩(wěn)定的輸出偏置電壓。本文根據(jù)系統(tǒng)研究需要，選擇ACS712ELC-20A類型器件，可測量±20A的交流或直流電流，對應100mv/A的輸出靈敏度。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知該器件的輸入輸出線性關(guān)系表達式為：

式中，為傳感器的輸出電壓，傳感器的輸入電流，即傳感器的輸出電壓范圍為0.5～4.5V。由于其穩(wěn)定的線性比例特性、響應時間短以及絕緣電壓高、體積小的特點，該器件可應用于工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)，使被檢測設(shè)備存在的隱患得到及時處理，以確保人身安全及設(shè)備安全[1][2]。

1.2 過采樣方法

過采樣是使用大于奈奎斯特采樣的頻率對輸入信號進行采樣[3]。在數(shù)據(jù)采集過程中，理論上采樣頻率越大可提高ADC的分辨率，但實際中由于ADC的采樣率受到限制，需綜合考慮系統(tǒng)功能需求及控制器資源以確定合適的采樣頻率。

本文使用STM32片上ADC完成數(shù)據(jù)采集，采用過采樣方法實現(xiàn)對直流及交流信號的采樣。經(jīng)多次測試發(fā)現(xiàn)，采樣頻率大小的確定與多通道采樣及采樣后不同數(shù)據(jù)處理有關(guān)。本文采樣處理后的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)經(jīng)測量得到的負載工作電流有效值，該數(shù)據(jù)通過主控制器串口實時上傳至PC端，以監(jiān)測負載工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該電流實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要由主控電路及電流檢測電路構(gòu)成。主控制器完成經(jīng)處理后的電流信號采集、數(shù)據(jù)處理及串口通信等任務(wù)；電流檢測電路使用霍爾電流傳感器監(jiān)測負載的工作電流，其信號輸出經(jīng)適當處理轉(zhuǎn)為適合于STM32進行采樣的電壓信號。其中系統(tǒng)電源輸入為+5V，作為電流傳感器ACS712的工作電源，在+5V直流基礎(chǔ)上使用LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片LT1963降壓至+3.3V，為微控制器提供穩(wěn)定的電源。其系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 主控電路

為滿足直流或交流信號的實時監(jiān)測，主控芯片選用意法半導體公司生產(chǎn)的32位微控制器STM32F030C8T6。該控制器采用ARM Cortex-M0內(nèi)核架構(gòu)，其供電電壓為3.3V，時鐘頻率可達48M，內(nèi)部集成12位ADC及16位通用定時器[4]。通過選取適當?shù)牟蓸宇l率對電流檢測電路輸出的電壓信號進行采樣，將采樣后的數(shù)據(jù)進行有效處理，并以一定的速率通過串口上傳至串口調(diào)試助手，以實時觀測采樣結(jié)果。

2.2 電流檢測電路

由于電流傳感器ACS712的輸出電壓范圍為0.5～4.5V，而主控制器STM32片內(nèi)ADC的參考電壓為+3.3V，需要將傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過運算放大器縮小一定比例，以滿足控制器采樣要求。如圖2所示，ACS712串聯(lián)在電路中，輸出的電壓信號經(jīng)過比例運放縮小電壓值，并在進入STM32進行AD采樣前，經(jīng)過一個RC低通濾波器進行抗混疊濾波。其中，運算放大器選擇四路低壓軌至軌輸出運算放大器LMV324，工作電源為2.7～5.5V，通過設(shè)置運放比例增益為0.6，使運放輸出的電壓范圍為0.3～2.7V，以適合主控制器采樣。圖2為單通道電流檢測電路，多通道電路原理圖與之類似。

圖2 電流檢測電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集程序主要是通過配置ADC對電流檢測電路的輸出信號進行采樣，其AD采樣頻率通過配置STM32通用定時器確定；數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)傳輸在主程序中實現(xiàn)。其中，數(shù)據(jù)處理程序是將采集后的數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器及運放輸入輸出運算關(guān)系進行計算，從而獲得負載工作時的電流瞬時值及有效值。該有效值的獲得可應用于系統(tǒng)監(jiān)測負載工作時功率及用電量的計算。系統(tǒng)每隔一段時間將計算的電流有效值通過串口發(fā)送至串口調(diào)試助手，以實時觀測測量的電流有效值。

為確保系統(tǒng)選擇的采樣頻率既滿足直流信號采樣也滿足交流信號采樣，同時考慮在數(shù)據(jù)處理過程中STM32F030C8T6片內(nèi)RAM資源的使用，基于過采樣方法確定進行三通道數(shù)據(jù)采樣時采樣頻率為5K。采樣時以交流供電負載的應用為主，即輸入通道的50Hz交流信號一個周期可采樣100個數(shù)據(jù)點。單個輸入通道每采樣1個數(shù)據(jù)點后隨即進行電流瞬時值的計算，待采集完兩個周期信號后進行一次電流有效值的計算。數(shù)據(jù)處理的過程需消耗控制器大量時間，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)完成三通道數(shù)據(jù)的實時采樣選擇采樣頻率為5K時比較合理。對于多通道的數(shù)據(jù)采集，采樣頻率可依據(jù)系統(tǒng)需求靈活調(diào)整。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試及分析

為測試該電流實時監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，實驗中分別對直流電源供電負載及交流電源供電負載進行系統(tǒng)測試。

4.1 直流測試

系統(tǒng)進行直流測試前，將100W/1Ω的功率電阻作為負載接入傳感器輸入端，以±3A量程的直流穩(wěn)壓電源作為供電電源接入電路。測試時，將萬用表串聯(lián)在電路中，測量功率電阻的工作電流以獲得實驗的實際值；經(jīng)傳感器輸出后進入STM32進行AD采樣處理，最終在串口調(diào)試助手觀察到的電流有效值作為實驗的測量值。其測試結(jié)果如表1所示：

表1 直流測試結(jié)果

4.2 交流測試

表2 電流監(jiān)測及繼電器控制模塊測試結(jié)果

從表1、表2中可以看出，直流及交流測試結(jié)果誤差均較小，實現(xiàn)了負載工作電流的準確監(jiān)測，確保了系統(tǒng)工作的可靠性。

5 結(jié)論

本文介紹的電流實時監(jiān)測系統(tǒng)成本低，測量范圍廣，可靠性較高，基本實現(xiàn)了負載工作電流的準確監(jiān)測。選用的電流傳感器ACS712，可同時實現(xiàn)直流及交流的測量；主控制器STM32豐富的資源可實現(xiàn)采樣后數(shù)據(jù)的處理及傳輸。本文在智能家居及安防系統(tǒng)具備潛在的應用價值及擴展空間。

[1]董建懷.基于CC2530的電流及溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].廈門理工學院學報,2011,19(3):59-63.

[2]董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應用[J].中國科技信息,2010(5):92-96.

[3]吳家平,沈建華.基于STM32微控制器的過采樣技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2010,20(2):209-212.

[4]意法半導體.STM32F03xxx參考手冊[EB/OL].[2010-01-10].http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/13587.pdf.