Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331)
Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) 是基于 ACS70331 的高精度 DC/AC 电流传感器。ACS70331EESATR-005B3 是 Allegro 的高灵敏度电流传感器 IC，适用于小于 5A 的电流检测应用。它采用巨磁阻 (GMR) 技术，比传统霍尔效应传感器灵敏度高 25 倍，用于检测通过低电阻集成主导体的电流所产生的磁场。
Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) 可测量高达 5A 的直流电流和交流电流，基础灵敏度为 200mV/A。
在下面的 资源 部分中有一个关于电流的测量数据表供参考。
特性
- 支持直流和交流负载
- 1 MHz 带宽，响应时间小于 550 ns
- 低噪声：1 MHz 时为 8 mA(rms)
- 1.1 mΩ 主导体电阻，功耗低
- 高 DC PSRR，可与低精度电源或电池一起使用（3 至 4.5 V 工作）
- 模拟输出
规格
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 供电电压 | 3.3V / 5V |
| 工作环境温度 | -40 – 85℃ |
| 存储温度 | - 65°C – 125°C |
| 工作电压 | <100V |
| 电流检测范围 | 0 – 5A |
| 灵敏度 | 200mV/A(典型值) |
| 输出接口 | Grove 模拟 |
| 输入接口 | 螺丝端子 |
工作原理
电流检测有两种类型：直接检测和间接检测。分类主要基于用于测量电流的技术。
直接检测：
- 欧姆定律
间接检测：
- 法拉第电磁感应定律
- 磁场传感器
- 法拉第效应
Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) 使用磁场传感器技术。磁场传感器技术有三种类型：
- 霍尔效应
- 磁通门传感器
- 磁阻电流传感器
Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) 基于磁阻电流传感器原理，也称为 GMR。磁阻器 (MR) 是一种两端设备，其电阻会随着施加的磁场呈抛物线变化。这种由于磁场导致 MR 电阻变化的现象称为磁阻效应。
ACS70331 QFN 封装的内部结构如图 1 所示。芯片位于主电流路径上方，使得磁场与芯片上的 GMR 元件平面一致。GMR 元件 1 和 2 在正 IP 电流流动时检测 +X 方向的磁场，GMR 元件 3 和 4 在正 IP 电流流动时检测 -X 方向的磁场。这使得能够对电流进行差分测量并排除外部杂散磁场。
四个 GMR 元件以惠斯通电桥配置排列，如图 2 所示，使得电桥输出与四个元件检测到的差分磁场成正比，从而排除公共磁场。
硬件概览
支持的平台
| Arduino | 树莓派 | |||
|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |  |
入门指南
测试过程中禁止人体接触模块，否则可能有触电危险。
使用 Arduino
所需材料
| Seeeduino V4.2 | Base Shield | ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) |
|---|---|---|
 |  |  |
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此外，您可以考虑我们的新产品 Seeeduino Lotus M0+，它相当于 Seeeduino V4.2 和 Base Shield 的组合。
直流演示
硬件连接
-
步骤 1. 将 Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) 连接到 Base Shield 的 A0 端口。
-
步骤 2. 将待测电路的正负极连接到螺丝端子的对应正负极。
如果正负极接反，读数将会反转。此传感器在使用前需要校准，因此请不要先给电路通电。
-
步骤 3. 将 Grove - Base Shield 插入 Seeeduino。
-
步骤 4. 使用 USB 线缆将 Seeeduino 连接到电脑。
软件
如果这是您第一次使用 Arduino，我们强烈建议您在开始之前查看 Arduino 入门指南。
-
步骤 1. 从 Github 下载 Grove Current Sensor 库。
-
步骤 2. 在 /example/ 文件夹中，您可以找到示例代码。这里我们以 Grove - ±5A DC/AC Current Sensor (ACS70331) 为例。只需点击 Grove_5A_DC_Current_Sensor.ino 打开示例代码。或者您可以复制以下代码：
#ifdef ARDUINO_SAMD_VARIANT_COMPLIANCE
#define RefVal 3.3
#define SERIAL SerialUSB
#else
#define RefVal 5.0
#define SERIAL Serial
#endif
// 需要一个 OLED 显示屏
// 使用 A0 引脚
#define Pin A5
// 取 500 次的平均值
const int averageValue = 500;
long int sensorValue = 0;
float sensitivity = 1000.0 / 200.0; // 每 200mV 对应 1000mA
float Vref = 1508;
void setup()
{
SERIAL.begin(9600);
}
void loop()
{
// 读取 500 次的值：
for (int i = 0; i < averageValue; i++)
{
sensorValue += analogRead(Pin);
// 在下一次循环前等待 2 毫秒
delay(2);
}
sensorValue = sensorValue / averageValue;
// 板载 ADC 为 10 位
// 不同的电源会导致不同的参考源
// 示例：2^10 = 1024 -> 5V / 1024 ~= 4.88mV
// unitValue= 5.0 / 1024.0*1000 ;
float unitValue= RefVal / 1024.0*1000 ;
float voltage = unitValue * sensorValue;
// 无负载时，Vref=初始值
SERIAL.print("initialValue: ");
SERIAL.print(voltage);
SERIAL.println("mV");
// 计算对应的电流
float current = (voltage - Vref) * sensitivity;
// 打印显示电压 (mV)
// 该电压是对应电流的引脚电压
/*
voltage = unitValue * sensorValue-Vref;
SERIAL.print(voltage);
SERIAL.println("mV");
*/
// 打印显示电流 (mA)
SERIAL.print(current);
SERIAL.println("mA");
SERIAL.print("\n");
// 重置 sensorValue 以便下一次读取
sensorValue = 0;
// 每秒读取一次
delay(1000);
}
-
步骤 3. 上传示例代码。如果您不知道如何上传代码，请查看 如何上传代码。
-
步骤 4. 打开 Arduino IDE 的 串行监视器，点击 工具->串行监视器，或者同时按下
ctrl+shift+m键。将波特率设置为 9600。 -
步骤 5. 校准
当没有电流流动时，传感器仍然会有一个小的输出值。我们称这个值为 零偏移。
由于存在零偏移，当没有电流时传感器也会有读数。因此我们设置了一个参数 Vref 来修正它，您可以在上面的代码块中找到它。
第 21 行：
float Vref = 1508;
//Vref 是零漂移值，您需要在使用之前将此值更改为您实际测量的值。
在示例代码中，我们将 Vref 设置为 1508，但零偏移值因板而异。如您所知，我们在此示例中使用的板的零偏移值为 595.70。因此我们修改第 21 行：
float Vref = 596;
//Vref 是零漂移值，您需要在使用之前将此值更改为您实际测量的值。
现在上传修改后的代码并检查结果：
当电流输出变为 0mA 或一个很小的值时，您已经完成了校准。
- 步骤 6. 现在一切准备就绪，您可以开始供电了。请随意使用它，记住这是一个 5A 电流传感器，电流不能超过 5A！
如果您想了解结果的计算公式，请参考 FAQ Q1
交流电示例
使用交流电时，请注意安全，避免触电。
关于硬件连接和校准部分，请参考 直流电示例，唯一的区别是代码。请使用以下代码用于交流负载。
#ifdef ARDUINO_SAMD_VARIANT_COMPLIANCE
#define RefVal 3.3
#define SERIAL SerialUSB
#else
#define RefVal 5.0
#define SERIAL Serial
#endif
//需要一个 OLED 显示屏
//使用引脚 A0
#define Pin A5
// 取 500 次平均值
const int averageValue = 500;
long int sensorValue = 0;
float sensitivity = 1000.0 / 200.0; //1000mA 每 200mV
//float Vref = 244;
float Vref = 1494;
void setup()
{
SERIAL.begin(9600);
}
static float tempval;
void loop()
{
// 读取 500 次值：
for(int i=0;i<20;i++)
{
for (int i = 0; i < averageValue; i++)
{
int temp;
temp= analogRead(Pin);
if(temp>sensorValue)
{
sensorValue=temp;
}
delayMicroseconds(40);
}
tempval+=sensorValue;
}
sensorValue=tempval/20.0;
tempval=0;
// 板载 ADC 是 10 位
// 不同的电源会导致不同的参考源
// 示例：2^10 = 1024 -> 5V / 1024 ~= 4.88mV
// unitValue= 5.0 / 1024.0*1000 ;
float unitValue= RefVal / 1024.0*1000 ;
float voltage = unitValue * sensorValue;
//当没有负载时，Vref=初始值
SERIAL.print("initialValue: ");
SERIAL.print(voltage);
SERIAL.println("mV");
// 计算对应的电流
float current = ((voltage - Vref) * sensitivity)*0.707;
// 打印显示电压 (mV)
// 此电压是对应电流的引脚电压
voltage = unitValue * sensorValue-Vref;
SERIAL.print(voltage);
SERIAL.println("mV");
// 打印显示电流 (mA)
SERIAL.print("current: ")
SERIAL.print(current);
SERIAL.println("mA");
SERIAL.print("\n");
// 重置 sensorValue 为下一次读取
sensorValue = 0;
// 每秒读取一次
delay(1000);
}
常见问题解答 (FAQ)
Q1# 当前的计算公式是什么？
A1: 如果您觉得工作原理部分非常复杂，我们可以用一种简单的方式来解释。被测电路中的电流会激发磁场，从而导致 GMR 元件的电阻值发生变化。而桥路中的电阻变化会引起芯片输出电压的变化。我们将该电压输出称为 VIOUT。
VIOUT = Sens × Ip + VIOUT(Q)
Sens: Sens 是将电流转换为输出电压的系数。对于该模块，其值为 200mA/V。
Ip: Ip 是被测电路中的电流值，单位为 mA。
VIOUT(Q): VIOUT(Q) 是当 Ip 为 0mA（即被测电路中没有电流）时的电压输出，单位为 mV。
以下是电流值的计算公式：
Ip = (VIOUT - VIOUT(Q)) / Sens
现在，让我们回顾图 5，我们将解释为什么当被测电路中的实际电流值为 0 时，输出的电流值却不是 0。如图 5 所示，initialValue 是 595.70mV，即 VIOUT；电流是 -4561.48mA，即 Ip。至于 VIOUT(Q)，它是我们在代码中设置的 Vref。
在图 5 中，其值为 1508。而 Sens 是 200mA/V，即 200mA/1000mV。现在，进行一些数学计算：
{(595.70mV-1508mV ) / (200mA/1000mV)} = -4561.50mA
因此，在图 6 中，当我们将 Vref 设置为 595.70 时，Ip 变为 0mA。
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资源
- [ZIP] Grove - ±5A DC/AC 电流传感器 (ACS70331) 原理图文件
- [PDF] ACS70331 数据手册
- [PDF] 测量数据
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