長江大學(xué)電子信息學(xué)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(shí)現(xiàn)其智能控制及遠(yuǎn)程管理。使用合適的方法對(duì)用電設(shè)備的工作電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可反映用電設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同功率負(fù)載的直流或交流電流的準(zhǔn)確測(cè)量，解決了部分傳統(tǒng)電流檢測(cè)方法存在的絕緣困難、成本高、測(cè)量精度低等問題[1]。

1 電流檢測(cè)及采樣方法

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

1.1 電流檢測(cè)方法

電流的檢測(cè)方法可分為兩種，一種是基于歐姆定律，通過檢測(cè)加在負(fù)載一邊的精密電阻兩端電壓來判斷負(fù)載工作電流大小；另一種是使用基于電磁感應(yīng)原理的芯片級(jí)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(hào)測(cè)得負(fù)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(jiǎn)單，可針對(duì)不同測(cè)量范圍的直流或交流進(jìn)行檢測(cè)并應(yīng)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(yīng)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(cè)量±20A的交流或直流電流，對(duì)應(yīng)100mv/A的輸出靈敏度。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知該器件的輸入輸出線性關(guān)系表達(dá)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(yīng)時(shí)間短以及絕緣電壓高、體積小的特點(diǎn)，該器件可應(yīng)用于工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)，使被檢測(cè)設(shè)備存在的隱患得到及時(shí)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)直流及交流信號(hào)的采樣。經(jīng)多次測(cè)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(cè)量得到的負(fù)載工作電流有效值，該數(shù)據(jù)通過主控制器串口實(shí)時(shí)上傳至PC端，以監(jiān)測(cè)負(fù)載工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由主控電路及電流檢測(cè)電路構(gòu)成。主控制器完成經(jīng)處理后的電流信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理及串口通信等任務(wù)；電流檢測(cè)電路使用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)負(fù)載的工作電流，其信號(hào)輸出經(jīng)適當(dāng)處理轉(zhuǎn)為適合于STM32進(jìn)行采樣的電壓信號(hào)。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(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主控芯片選用意法半導(dǎo)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(shí)鐘頻率可達(dá)48M，內(nèi)部集成12位ADC及16位通用定時(shí)器[4]。通過選取適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率對(duì)電流檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)觀測(cè)采樣結(jié)果。

2.2 電流檢測(cè)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(hào)經(jīng)過運(yùn)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(hào)經(jīng)過比例運(yùn)放縮小電壓值，并在進(jìn)入STM32進(jìn)行AD采樣前，經(jīng)過一個(gè)RC低通濾波器進(jìn)行抗混疊濾波。其中，運(yùn)算放大器選擇四路低壓軌至軌輸出運(yùn)算放大器LMV324，工作電源為2.7～5.5V，通過設(shè)置運(yùn)放比例增益為0.6，使運(yùn)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(cè)電路，多通道電路原理圖與之類似。

圖2 電流檢測(cè)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(duì)電流檢測(cè)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，其AD采樣頻率通過配置STM32通用定時(shí)器確定；數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)傳輸在主程序中實(shí)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(yùn)放輸入輸出運(yùn)算關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，從而獲得負(fù)載工作時(shí)的電流瞬時(shí)值及有效值。該有效值的獲得可應(yīng)用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)負(fù)載工作時(shí)功率及用電量的計(jì)算。系統(tǒng)每隔一段時(shí)間將計(jì)算的電流有效值通過串口發(fā)送至串口調(diào)試助手，以實(shí)時(shí)觀測(cè)測(cè)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(hào)采樣也滿足交流信號(hào)采樣，同時(shí)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(jìn)行三通道數(shù)據(jù)采樣時(shí)采樣頻率為5K。采樣時(shí)以交流供電負(fù)載的應(yīng)用為主，即輸入通道的50Hz交流信號(hào)一個(gè)周期可采樣100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。單個(gè)輸入通道每采樣1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后隨即進(jìn)行電流瞬時(shí)值的計(jì)算，待采集完兩個(gè)周期信號(hào)后進(jìn)行一次電流有效值的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理的過程需消耗控制器大量時(shí)間，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)完成三通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣選擇采樣頻率為5K時(shí)比較合理。對(duì)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(cè)試及分析

為測(cè)試該電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)直流電源供電負(fù)載及交流電源供電負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

4.1 直流測(cè)試

系統(tǒng)進(jìn)行直流測(cè)試前，將100W/1Ω的功率電阻作為負(fù)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(cè)試時(shí)，將萬用表串聯(lián)在電路中，測(cè)量功率電阻的工作電流以獲得實(shí)驗(yàn)的實(shí)際值；經(jīng)傳感器輸出后進(jìn)入STM32進(jìn)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(shí)驗(yàn)的測(cè)量值。其測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1 直流測(cè)試結(jié)果

4.2 交流測(cè)試

表2 電流監(jiān)測(cè)及繼電器控制模塊測(cè)試結(jié)果

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

5 結(jié)論

本文介紹的電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本低，測(cè)量范圍廣，可靠性較高，基本實(shí)現(xiàn)了負(fù)載工作電流的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。選用的電流傳感器ACS712，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流及交流的測(cè)量；主控制器STM32豐富的資源可實(shí)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(yīng)用價(jià)值及擴(kuò)展空間。

[1]董建懷.基于CC2530的電流及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào),2011,19(3):59-63.

[2]董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應(yīng)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(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2010,20(2):209-212.

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