Thiết kế thử nghiệm mạch đo dòng điện không tiếp xúc trên cơ sở sử dụng cảm biến Hall

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology50 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016
THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM MẠCH ĐO DÒNG ĐIỆN KHÔNG TIẾP XÚC
TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG CẢM BIẾN HALL
Trần Văn Tuấn2, Nguyễn Ngọc Minh1, Hoàng Sĩ Hồng2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Ngày nhận: 12/4/2016
Ngày sửa chữa: 10/6/2016
Ngày xét duyệt: 23/6/2016
Tóm tắt:
Nội dung của bài báo này trình bày về thiết kế một mạch đo dòng điện một chiều và xoay chiều. Hệ 
đo gồm có các mô đun khuếch đại và mô đun vi điều khiển có phần mạch hiển thị. Trong mạch có sử dụng 
lõi từ và được cắt một khe hở không khí với chiều dài khe hở 2mm để gắn cảm biến Hall. Dòng điện cần đo 
sẽ có tỷ lệ với điện áp đầu ra của cảm biến Hall, từ đó ta sẽ tính toán được dòng cần đo. Trong quá trình 
nghiên cứu, thiết bị đã được chế tạo thành công và đã có kết quả thực nghiệm. Quá trình thực nghiệm đo 
cho thấy quan hệ giữa dòng cần đo 0-5A xoay chiều và 0-15A dòng 1 chiều và điện áp đầu ra của cảm biến 
Hall là tuyến tính.
Từ khóa: Cảm biến Hall, lõi từ.
Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
B T từ trường trong lõi từ
Np vòng số vòng dây quấn trên lõi từ
Ip A dòng điện cần đo
Lm M chiều dài lõi từ 
L
g
M khoảng cách khe hở 
 in hệ số thẩm từ của lõi từ
I
c
A dòng cấp cho cảm biến Hall
G hệ số khuếch đại
Chữ viết tắt
AC Alternative current
DC Direction current
1. Phần mở đầu
Điện năng là một nguồn năng lượng thiết 
yếu trong cuốc sống. Hầu hết các dụng cụ, máy móc 
và nhiều trang thiết bị phục vụ cho sinh hoạt của 
con người đều sử dụng năng lượng điện. Trong quá 
trình hoạt động các thiết bị này có thể xảy ra sự cố 
về điện, nếu không xử lý kịp thời có thể gây hậu quả 
nghiêm trọng đến sản xuất, sinh hoạt và đặc biệt là 
đến con người. Để thuận tiện cho việc vận hành, 
theo dõi trong quá trình làm việc của các thiết bị, 
cần thường xuyên kiểm tra các thông số dòng điện 
của thiết bị, để tránh hiện tượng quá dòng, ngắn 
mạch cho thiết bị. Vì vậy, cần phải có những thiết 
bị đo dòng điện để kiểm soát và phát hiện kịp thời 
các sự cố về điện và có biện pháp xử lý thích hợp 
để tránh được những ảnh hưởng không mong muốn 
có thể xảy ra.
Trên thực tế, có rất nhiều thiết bị đo dòng 
điện bằng các phương pháp khác nhau. Phương 
pháp tương tự như: sử dụng các ampemet từ điện, 
điện từ hoặc biến dòng để đo dòng điện [1]. Phương 
pháp số như: sử dụng một số IC chuyên dụng 
ADE7753 hoặc ACS712 kết hợp với các biến dòng. 
Nhìn chung, các phương pháp đều cho kết quả đo 
với độ chính xác khá cao và một số phương pháp 
còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. 
Nhưng hầu hết các phương pháp đó phải tác động 
trực tiếp vào dây dẫn chính. Gần đây xu thế sử dụng 
một số phương pháp mới đo dòng gián tiếp không 
cần tác động trực tiếp lên dây dẫn. Trong bài báo, 
chúng tôi giới thiệu phương pháp đo dòng điện gián 
tiếp sử dụng cảm biến Hall A3515, kết quả đo thu 
được tương đối chính xác.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp 
này trong ứng dụng thử nghiệm đo dòng điện một 
chiều và xoay chiều để đánh giá và đã có kết quả 
khả quan, cho thấy phương pháp đo này có thể đáp 
ứng những tiêu chí cho bài toán đo dòng điện với 
độ tin cậy, độ chính xác cao, thiết kế đơn giản và 
chi phí thấp.
2. Nội dung chính
2.1. Cơ sở lí thuyết
Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn nó sẽ 
sinh ra từ trường xung quang dây dẫn.
Từ trường này được tính theo dòng điện, 
kích thước lõi từ, hệ số thẩm từ [2][3]
.
. . . .
B L L
N I4 10
m g i
i P P
7r
n
n
= +
-
 (1)
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016 Journal of Science and Technology 51
Từ công thức cho thấy từ trường trong lõi từ 
và cường độ dòng điện có mối quan hệ tuyến tính.
Trong đó:
1 - Dòng điện cần đo
2 - Lõi sắt từ
3 - Cảm biến Hall
4 - Nguồn dòng
5 - Khuếch đại đo lường
Hình 1. Hoạt động của cảm biến
Khi từ trường sinh ra tác dụng lên cảm biến 
Hall sẽ làm điện áp đầu ra cảm biến Hall thay đổi [3]:
 V
Hall
 = I
c
 # B (2)
Thường điện áp đầu ra của cảm biến hall 
thay đổi rất nhỏ nên điện áp này được cho qua bộ 
khuếch đại thì ta sẽ tính được điện áp đầu ra:
V
out
 = V
Hall
.G (3)
Từ đó ta dễ dàng tính được dòng điện I
P
 cần 
đo thông qua điện áp V
out
.
2.2. Phương pháp chế tạo
Trong thiết bị đo dòng điện có sử dụng lõi 
từ hình xuyến có khe hở không khí để gắn cảm biến 
Hall (Hình 2). Khi đó dòng điện cần đo sẽ tỉ lệ với 
cường độ từ trường sinh ra bên trong lõi từ.
Hình 2. Lõi từ
Lõi từ sử dụng có các thông số sau: chiều 
dài trung bình của lõi từ là Lm = 94mm, độ rộng của 
khe hở không khí là L
g
 = 2mm tiết điện 1cm2. Với 
kích thước này lõi từ sẽ bị bão hòa khi dòng điện Ip 
vượt quá 20A. Để đo được dòng điện lớn hơn ta cần 
dùng lõi từ có kích thước lớn hơn tuy nhiên thiết bị 
sẽ cồng kềnh hơn.
Để chế tạo thiết bị đo dòng chúng tôi sử 
dụng một số IC khuếch đại INA128, LM358 và sử 
dụng pic 16F877A tính toán và hiển thị kết quả đo 
bằng màn hình LCD16x2 ở chế độ truyền 4 bit dữ 
liệu. Mạch sử dụng bộ ADC 10 bit bên trong pic 
16F877A để chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự 
thành điện áp dạng số.
Hình 3. Sơ đồ khối của hệ đo
Trong đó:
Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn 
tới các khối như: cảm biến Hall, khuếch đại vi sai, 
cộng tín hiệu, xử lý tín hiệu và hiển thị để các khối 
hoạt động ổn định và tốt.
Hình 4. Sơ đồ khối nguồn ±9V, 5V
Khổi cảm biến Hall: điện áp ra của cảm biến 
Hall A3515 [4] sẽ thay đổi theo dòng điện đang cần 
đo. Tuy nhiên, sự thay đổi ở đây là rất nhỏ.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology52 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016
Hình 5. Cảm biến hall A3515
Chân 1(Vcc): chân cấp điện áp cho cảm biến Hall.
Chân 2 (GND): chân nguồn chung.
Chân 3 (OUTPUT): chân điện áp đầu ra của cảm 
biến Hall.
Khối cộng tín hiệu: nhằm nâng tín hiệu AC 
nhỏ hơn không trước khi cho vào khối ADC bởi vì 
khối ADC tích hợp sẵn trong vi điều khiển được đặt 
tham chiếu để lấy mẫu tín hiệu dương. Với giới hạn 
đo 5A xoay chiều sẽ làm cảm biến trả về hiệu điện 
thế -2.5V khi dòng là -5A, mạch cộng thực hiện 
cộng 2.5V tín hiệu đầu vào nhằm nâng toàn bộ tín 
hiệu lên trên phần dương.
Hình 6. Mạch cộng dùng LM358
Khối khuếch đại đo lường sử dụng INA128, 
khuếch đại vi sai có hệ số khuếch đại là 10.
Hình 7. Mạch khuếch đại đo lường INA 128
Khối ADC 10 bit được tích hợp sẵn trong vi 
điều khiển nhiệm vụ chuyển hóa tín hiệu tương tự 
sang tín hiệu số.
Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC 16F877A 
có nhiệm vụ tính toán, xử lý kết quả đo và giao tiếp 
với LCD.
Hình 8. Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC16F877A
Khối hiển thị: kết quả đo được hiển thị trên 
LCD 16x2.
Hình 9. Mạch đo thực tế
2.3. Phương pháp tính toán
Với dòng một chiều tín hiệu điện thế từ cảm 
biến Hall được lấy mẫu N = 100 lần sau đó lấy trung 
bình. Phương pháp này (moving average filter) [5] 
có tác dụng giảm bớt nhiễu trắng bao và cả sai số do 
quá trình lấy mẫu ADC (quantization error) gây ra.
y i N x i j
1
j
N
0
1
= +=
-7 7A A/ (4) 
Trong đó y[i] là giá trị được đưa ra để hiển thi, x[i] 
là các giá trị trong các lần lấy mẫu. Để giảm khối 
lượng tính toán, tiết kiệm bộ nhớ cho vi điều khiển 
công thức (2) được biến đổi như bên dưới.
y[i] = y[i-1] + x[i+p] - x[i-p] (5)
Với: p = (N - 1)/2
 q = p + 1 
Với dòng xoay chiều quá trình tính toán 
phức tạp hơn so với dòng một chiều bởi sự ảnh 
hưởng của tải đối với dòng. Đối với các tải có sử 
dụng chỉnh lưu như chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu nửa 
chu kì dòng điện sẽ có hình dạng khác nhau. Trong 
bài nghiên cứu này dòng điện được tính toán bằng 
phương pháp trung bình bình phương [5]. 
...x N x x x
1
rms n1
2
2
2 2= + + +_ i (6)
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016 Journal of Science and Technology 53
Kết quả thu được sẽ được lọc bằng phương 
pháp dịch tổng trung bình (moving average filter) 
[5] phương pháp này cho kết quả tốt trong khi tốn ít 
dung lượng bộ nhớ của vi điều khiển hoàn toàn phù 
hợp với thiết bị.
2.4. Lưu đồ thuật toán
Bắt đầu
Khởi tạo LCD, ADC
RMS=0, RMS1=0, RMS2=0, U=0, I=0
RB4=1
N=2000, i=0
RMS=Giá trị ADC-512
RMS1=RMS*5/1023
RMS2+=RMS1*RMS1
i=i+1
i<N
U=Sqrt(RMS2/2000)
I=U/k
RMS2=0
Hiển thị giá trị I trên 
LCD
Y
RMS=Giá trị ADC-512
U=RMS*5/1023
I=U/k
N
N
Y
Hình 10. Lưu đồ thuật toán của chương trình
Trước tiên khởi tạo các module và các biến 
cần dùng. Đặt bit RB4 để chọn chế độ đo dòng điện: 
nếu RB4 = 1 đo dòng xoay chiều, ngược lại nếu 
RB4 = 0 đo dòng 1 chiều. Ở chế độ đo dòng xoay 
chiều ta chọn số mẫu cần lấy là 2000 mẫu. Khi nhận 
được giá trị của 2000 mẫu ta tiến hành tính toán giá 
trị hiệu dụng của tín hiệu. Việc lựa chọn tần số lấy 
mẫu 2000 lần dựa trên tần số của dòng điện 50Hz 
đối với tải thuần trở và thời gian lấy mẫu của ADC. 
Thêm vào đó với một số tải dòng điện là sự kết hợp 
của một số sóng hài bậc cao nên việc chọn tần số 
lấy mẫu gấp 40 lần so với tần số cơ bản góp phần 
giảm sự ảnh hưởng của hiện tượng chồng phổ khi 
lấy mẫu. 
Giá trị hiệu dụng của tín hiệu sau khi trích 
mẫu được xác định bởi công thức
( )V N V i
1
RMS
i
N
2
1
#=
=
/ (7)
3. Kết quả và thảo luận
Sau khi được hiệu chỉnh với thiết bị đo dòng 
HP3458 tại viện đo lường quốc gia. Kết quả đo 
được so sánh với thiết bị DMM4020 Tektronix tại 
phòng thí nghiệm đo lường Trường Đại học Bách 
khoa Hà Nội.
3.1. Đo dòng xoay chiều
Dòng xoay chiều được đo nguồn nuôi 
220V-50Hz và các tải khác nhau. Trong bảng sau 
tải được đo là tải thuần trở của nồi đun nước.
Hình 6. So sánh kết quả đo dòng xoay chiều
Bảng 1. Bảng đo một vài giá trị hiệu dụng của dòng 
điện AC
Giá trị hiệu dụng 
dòng điện (A)
(đo bởi đồng hồ 
số của phòng thí 
nghiệm đo lường)
Giá trị hiệu 
dụng dòng điện 
(A)
(đo bởi thiết bị 
được thiết kế)
Sai số 
tương 
đối
(%)[1]
0,89 0,88 1,12
1,47 1,49 1,36
2,09 2,08 0,5
3,21 3,23 0,6
4,42 4,40 0,5
Kết quả đo cho thấy thiết bị chế tạo khi đo 
dòng xoay chiều có độ sai lệch nhỏ so với thiết bị tại 
phòng thí nghiệm (sai số tương đối < 1,5%).
3.2. Đo dòng một chiều
Bảng 2. Bảng đo một vài giá trị dòng DC
Giá trị hiệu dụng 
dòng điện (A)
(đo bởi đồng hồ 
số của phòng thí 
nghiệm đo lường)
Giá trị hiệu 
dụng dòng điện 
(A)
(đo bởi thiết bị 
được thiết kế)
Sai số 
tương 
đối
(%)
[1]
0,51 0,51 0,0
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology54 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016
2,86 2,88 0,6
5,21 5,20 0,2
10,54 10,52 0,3
14,66 14,60 0,4
Kết quả đo cho thấy thiết bị có độ sai lệch 
nhỏ so với thiết bị tại phòng thí nghiệm (sai số 
tương đối < 1,0 %) tuy nhiên khi dòng điện tăng 
cao thì sai số sẽ tăng lên do lõi từ tiến tới bão hòa.
4. Kết luận
Thiết bị đã được chế tạo thành công với kình 
thước nhỏ gọn (15x7cm) khối lượng < 300g và đánh 
giá kết quả với các thiết bị đo dòng điện HP3458 có 
độ chuẩn cao tại viện đo lường quốc gia. Sau khi 
được hiệu chỉnh kết quả đo được so sánh với đồng 
hồ đo DMM4020 Tektronix tại phòng thí nghiệm 
và cho kết quả sai số dưới 1,5% trong dải đo 0-5A 
AC và 0-15A DC. Sai số này có thể do việc thiết kế 
mạch từ chưa được tối ưu. Tuy nhiên kết quả này 
cho thấy đây là cơ sở để tiếp tục phát triển hướng 
nghiên cứu này trong việc đo dòng điện lớn hơn và 
tần số cao hơn.
5. Lời cám ơn
Kết quả nghiên cứu này được tài trợ từ kinh 
phí chương trình nghiên cứu khoa học cấp cơ sở 
2016 của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Trọng Quế, 1996, Giáo trình “Cơ sở kỹ thuật đo”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[2]. G. Gokmen, K. Tuncalp, 2010, “The Design of a Hall Effect Current Transformer and 
Examination of the Linearity with Real Time Parameter Estimation”, Marmara University Technical 
Education Faculty.
[3]. “Magnetic Cores for Hall Effect Devices”, Technical Bulletin.
[4]. Hall sensor A3515 datasheet.
[5]. Steven W.Smith, The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing.
[6]. Poulomi Ghosh, Abhisek Maiti, 2012, “Instantaneous Power Measurement using Hall Sensor”, 
Calcutta Institute Of Technology * Om Dayal College Of Engineering and Architecture.
[7]. Ya X. S. and Maleki L., A Light-Induced Microwave Oscillator, The Telecommunications and 
Data Acquisition Progress Report, TDA PR 42-123, pp. 47-68, Nov. 1995.
[8]. Phạm Thượng Hàn, 2006, “Đo lường các đại lượng vật lý”, NXB Giáo dục, quyển 2.
EXPERIMENTED DESIGN OF NON-CONTACT CURRENT MEASUREMENT SYSTEM
BASED ON USING HALL SENSOR
Abstract:
This paper represents the designing a circuit to measure the alternative current and direct current. 
The system contains the amplifier modulus, microcontroller and display. The circuit uses a magnetic core 
that has a slot 2mm use to mount Hall sensor. In the research, the device had made and the result showed 
the relation between current 0-5A AC and 0-15A DC and Hall sensor’s output voltage is linear.
Keywords: Hall sensor, magnetic core.