基于霍爾傳感器的鋁空氣電池電流檢測系統設計

王鑫，賴忠喜

（臺州職業技術學院機電研究所 浙江 臺州318000）

基于霍爾傳感器的鋁空氣電池電流檢測系統設計

王鑫，賴忠喜

（臺州職業技術學院機電研究所 浙江 臺州318000）

針對鋁空氣電池電流檢測系統的要求以及現有電流檢測系統存在的不足，提出了一種基于霍爾傳感器的鋁空氣電池電流檢測系統，系統以STC12C5A60S2單片機為核心，主要包括信號調理、A/D轉換、液晶顯示和電源電路等部分，該系統實現了對鋁空氣電池電流進行實時采集、顯示與超限報警的功能，詳細闡述了系統軟硬件的實現方法。經實際應用表明：該系統具有測量精度高，運行穩定，操作簡單等特點，能滿足鋁空氣電池電流檢測的控制需求。

鋁空氣電池；控制系統；霍爾傳感器；電流檢測

目前，隨著各種各樣的新型綠色能源的迅猛的發展，鋁空氣電池由于具有成本低、能量密度大、質量輕、結構簡單、無污染、可靠性高、壽命長等優點［1-3］，其在各行各業的應用越來越廣泛，其地位以及重要性也日益凸顯，進而對鋁空氣電池其本身的可靠性，性能，成本以及安全性等方面亦有更多和更嚴格的要求，為監控鋁空氣電池的工作狀況，就必須對其電流進行監測與報警，以防止電流過流而燒壞部件和損壞鋁空氣電池的使用壽命。

目前通用的測量鋁空氣電池工作電流的方法是采用小電阻取樣法，即在電流檢測回路中串接分流器，通過檢測流過分流器兩端產生的壓降，然后通過運放對壓降進行放大處理，得到放大的輸出電壓，再將放大的輸出電壓送至ADC進行轉換，最后將轉換的結果送至MCU再進行處理。這種電流檢測方法具有明顯的缺點：即損耗和溫漂較大，而且被測電流和檢測電路無電氣隔離效果，可靠性與安全性較差。霍爾傳感器是一種典型的非接觸式電流檢測元件，近年來在電氣測量領域備受親睞，它具有較高精度，良好線性度，低溫漂，響應快，頻帶范圍寬，抗干擾能力強等優點［4］。

針對現有技術上存在的不足，文中設計了基于霍爾傳感器的鋁空氣電池管理系統電流檢測系統，系統采用霍爾傳感器進行電流檢測，通過數據處理模塊和AD轉換實現電流采集，選用液晶顯示器實時顯示所測的電流檢測值，該裝置可以通過單片機對所測的鋁空氣電池工作電流進行實時顯示，并且可以通過按鍵根據不同鋁空氣電池的情況設置電流的上限值，一旦電流超過預先設定的上限值，便立即觸發聲光報警。該鋁空氣電池電流檢測報警裝置具有高精度、低成本及高可靠性能的特點。

1 總體設計

本系統硬件結構原理圖如圖1所示，系統主要包括單片機電路、數據采集電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路和聲光報警電路等部分所構成。其中數據采集電路又由霍爾傳感器電路、信號調理電路和A/D轉換電路所構成。系統通過鍵盤輸入電路設置鋁空氣電池工作電流的報警值，當鋁空氣電池開始工作時，霍爾電流傳感器將所測得的電流信號轉換為電壓信號，輸出的電壓信號再經過信號調理電路和A/D轉換電路的處理輸入到單片機中，單片機運用相關算法對輸入的數字信號進行處理得到所測的電流值，并將其送到LCD液晶進行顯示，同時所測的電流值也作為單片機控制聲光報警電路和繼電器輸出電路的依據。

圖1 系統硬件結構原理圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機電路

單片機選用STC公司生產的STC12C5A60S2單片機，STC12C5A60S2單片機是一種高性能，低功耗，超強抗干擾的微控制器［5］，非常適合要求抗干擾能力強、運算速度快的場合，圖2為單片機電路的原理圖。

圖2 單片機電路原理圖

圖3 電流采集電路原理圖

2.2 數據采集電路

數據采集電路主要是將鋁空氣電池的工作電流采集輸入到單片機電路中，數據采集電路如圖3所示，其主要由由霍爾傳感器電路、信號調理電路與A/D轉換電路3部分所組成。

霍爾電流傳感器選用Allegro公司推出的一種線性電流傳感器ACS712-30A，該期間內置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成正比例的電壓，具有噪聲低，響應時間快，輸出靈敏度高和輸出總誤差低等優點，使用方便，性價比高。該霍爾電流傳感器采用單電源+ 5V供電，采集電流范圍為：-30～30A，對應輸出電壓：0.5～4.5V，輸出靈敏度為：66mV/A。

當鋁空氣電池工作時，電流從0～30 A變化時，ACS712的輸出電壓Vout在2.5～4.5 V變化，而本系統所選用的A/D轉換輸入信號要求為0～2.048 V，因此必須通過信號調理電路進行處理，信號調理電路包括一個減法比例運算電路和一個電壓跟隨器。減法比例運算電路中采用了高精度的穩壓芯片TL431作為2.5 V基準參考電壓，采用圣邦微公司生產的SMG358作為運算放大器。電路如圖3所示。

信號調理電路中，取R12=R13=1.65 kΩ，R11=R14=1.69 kΩ，則根據減法比例運算電路特性有：

其中，V0為經過減法比例運算電路后的輸出電壓（范圍：0～2.048 V），Vout為霍爾傳感器輸出的電壓（范圍：2.5～4.5 V），Vin為參考基準電壓2.5 V。從減法比例運算電路輸出的電壓信號，再經過一個電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸入電阻大輸出電阻小的特性，主要起著濾除干擾達到可靠傳輸信號和隔離的目的。

A/D轉換電路采用TI公司生產的ADS1110，它是一種精密，采用I2C協議可連續自校準模/數（A/D）轉換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。片內自帶2.048 V+0.05%的基準電壓，在本項目中采用單端輸入的方式。即引腳Vin+接信號調理電路輸出的電壓信號，引腳Vin-直接接地。當采集到信號電壓值為0～2.048V量程中的任何一個值都可通過如下公式：

2.3 電源電路

電源電路主要為整個系統的電路提供電壓，根據系統的設計要求，本系統各個元器件所需的供電電壓為12 V和5 V。其中12 V主要為繼電器提供電壓，5 V則為單片機芯片、霍爾電流傳感器、信號調理電路、A/D轉換芯片和其它的元器件供電。由于一般中型鋁空氣電池工作時的輸出電壓為20～50 V，因此采用LM2596HV-12 V芯片來實現將20～50 V的電壓轉換為12 V的電壓，該款芯片為開關電源，輸出電流高達3 A，并且具有功耗小，效率高，輸出線性度好和使用方便等特點，有效解決了電源發熱影響系統工作的問題。采用串聯型線性穩壓電源芯片LM2940實現將12V電壓轉換為5V的電壓，該芯片具有紋波小、電路結構簡單的優點。圖4為電源電路原理圖。

圖4 電源電路原理圖

2.4 鍵盤輸入與液晶顯示電路

鍵盤輸入電路與液晶顯示電路用于鋁空氣電池工作電流報警值的設置和實時電流值的顯示，鍵盤輸入電路設置了3個獨立按鍵S1，S2，S3，3個按鍵的作用分別是功能選擇鍵，電流+鍵，電流-鍵。液晶顯示電路采用了LCD1602字符型液晶顯示器。按鍵和液晶顯示器的工作過程如下：正常工作時，液晶顯示器處在實時顯示模式，此時，電流+鍵S2和電流-鍵S3無效，當功能選擇鍵S1按下一次時，液晶顯示器進入電流報警上限顯示模式，此時，每按一次電流+鍵S2，報警上限值就會往上加1 A，每按一次電流-鍵S3，報警上限值就往下減1 A，當設置好報警上限值后，再按一次功能選擇鍵S1，則液晶顯示器回到實時顯示模式。通過對按鍵的操作可以方便的對電流報警上限值進行更改，具有很強的操作靈活性。

圖5 鍵盤輸入與液晶顯示電路

2.5 聲光報警電路

聲光報警電路用于當鋁空氣電池工作時的電流超出報警值時的報警。該電路由一個紅色的LED燈和蜂鳴器來實現，如果當檢測到所測電流值超過設定的報警上限值時，單片機控制聲光報警電路工作，蜂鳴器報警同時紅色的LED燈閃爍。

3 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化的設計思想［6］，先將系統的整體功能分為不同的模塊，各個模塊單獨設計、編程、調試，然后將各個模塊進行組合聯調。本系統軟件均采用C語言編寫。主要包括主程序、系統初始化子程序、A/D采樣子程序、按鍵掃描子程序、報警子程序和LCD液晶顯示子程序等。主程序控制流程如圖5所示。系統工作時，首先進行系統初始化，接著通過按鍵電路實現對電流報警上限值的設置，當霍爾傳感器［7］檢測到電流時，單片機使A/D轉換器循環采樣N次，并采用平均值濾波算法對所采集的數據進行處理，計算出當前的電流值，如果所測電流值超過電流報警上限值即過流時，單片機將控制接在主電路的繼電器斷開［8］，鋁空氣電池立即停止工作，同時單片機也會輸出信號至聲光報警電路中，蜂鳴器和 LED燈開始報警，液晶顯示器上顯示“overcurrent alarm！”，反之，單片機將當前所測電流值和事先所設置的電流報警上限值一起在LCD液晶進行顯示，之后返回到按鍵掃描程序，重復下一個循環。

圖6 主程序流程圖

4 結 論

文中設計了一種以STC12C5A60S2單片機和ACS712霍爾電流傳感器為核心的鋁空氣電池電流檢測系統，該系統可以通過按鍵設置不同的電流報警上限值［9］，并且可以實時準確的對鋁空氣電池工作時的電流進行采集、顯示與報警，可以很好的解決鋁空氣電池工作時因過載和過流降低其使用壽命的問題。該系統抗干擾能力強，測量精度高，結構簡單，使用方便，容易推廣。

［1］劉岳濱，趙軍紅，胡東杰.新型鋁—空氣電池管理系統設計［J］.四川兵工學報，2013，34（7）:116-119.

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［3］Y JZ，Lu C B，Zheng F，et al.The core system design for new kilowatt aluminum-air battery［J］.Renewable Energy& Power Technology II，2014：672-674，704-707.

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［5］姜霞，年曉紅，宋學瑞.多通道高精度電壓電流檢測系統設計［J］.電源技術，2014，138（9）:1706-1709.

［6］陳方元，賴忠喜，陳文波，等.一種簡易溫室控制系統的設計［J］.電子設計工程，2012，20（21）:15-18.

［7］王黎明，周晉，陳昌龍.GIS微水監測濕度傳感器自校驗平臺的設計［J］.陜西電力，2012（4）：11-15.

［8］邱進.一種應用于多斷口光控真空斷路器的同步控制系統的設計與實現［J］.供用電，2015（5）：69-73.

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Design of current detection system for alum inum air batteries based on hall sensor

WANG Xin，LAIZhong-xi
（Electromechanical Institute of Taizhou Vocational&Technical College，Taizhou 318000，China）

To the requirements of current detection system for aluminum air batteries and weakness of current detection system，a current detection system for aluminum air batteries based on hall sensor is proposed.Taking STC12C5A60S2 microcontroller as the core，the system mainly includes signal regulation、A/D conversion、LCD display and power supply circuit，etc，it realizes the function such as real-time collection、display and transfinite alarm for the currentof the aluminum airbatteries.The designmethods of system hardware and software are fully described.Practicalapplication had shown that the system had the features such as:highmeasuring accuracy，simple operation and stable performance etc.Itcanmeet the control requirementsof currentdetection system foraluminum airbatteries.

aluminum air battery；control system；hall sensor；current detection

TM911.41

A

1674－6236（2016）20-0154-03

2015-09-24 稿件編號：201509167

浙江省教育廳科研項目資助（Y201533946）；臺州市大學生科技創新項目（2014DKC18）

王 鑫（1994—），男，浙江臺州人。研究方向：智能控制技術。