基于單片機(jī)的電流信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電流信號(hào)檢測技術(shù)的精確度、便捷性要求也越來越高。本文通過應(yīng)用 STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)電流信號(hào)檢測電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的非接觸式測量，并采用 TFT 液晶屏顯示所測頻率與幅值。該檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于電流信號(hào)的放大與測量具有重要的研究意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要包含硬件電路與軟件程序調(diào)試兩部分。硬件電路由 5 個(gè)功能模塊組成，分別是功率放大模塊、非接觸式電流獲取模塊、電流信號(hào)幅值檢測分析模塊、電流信號(hào)頻率檢測分析模塊以及液晶顯示模塊。軟件程序調(diào)試主要包括ADC 采集數(shù)據(jù)處理與 PWM 波輸入捕獲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路采用 TDA2050 芯片作為驅(qū)動(dòng)，將輸入的交流電流放大到所需的 1 A 以上。TDA2050 供電電壓范圍為±4.5～ ±25V。輸入電壓為0～ ±15V。同相放大交流信號(hào)， 供電電壓采用 100nF與 200μF的電容濾波，降低脈動(dòng)波紋系數(shù)，平滑直流輸出，使電路工作性能更加穩(wěn)定。此電路的電壓放大倍數(shù)公式為 Av=1+R3/R2，功率放大電路如圖 2所示。

2.2 非接觸式電流獲取電路

由公式 I1/I2=n2/n1 得輸入端線圈 n1 匝數(shù)為 1 匝，輸出端線圈 n2 匝數(shù)為 50 匝，通過 10 Ω 電阻的電流經(jīng)過匝數(shù)比為1 ∶ 50 的感應(yīng)線圈獲取后，經(jīng)過一個(gè) 51 Ω 的負(fù)載，將穩(wěn)定的交流電流值變?yōu)榉€(wěn)定的交流電壓值，再經(jīng)過一個(gè)差分放大電路變到 2.5 V 左右，交由隨后電路處理并檢測交流信號(hào)的幅值與頻率。差分放大電路是同相輸入與反相輸入相結(jié)合的放大電路，利用電路參數(shù)的對(duì)稱性與負(fù)反饋?zhàn)饔?，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)最為顯著，廣泛應(yīng)用于測量電路與直接耦合電路的輸入。此電路中利用差分放大電路與可變反饋電阻，可將 10 mA ～ 1 A 的電流經(jīng)過負(fù)載產(chǎn)生的電壓放大到適合單片機(jī)處理的電壓，經(jīng)后續(xù)電路處理后交由單片機(jī)處理。非接觸式電流獲取電路如圖 3 所示。

2.3 電流信號(hào)幅值檢測分析電路

此部分需要檢測出正弦交流信號(hào)的峰峰值。由于正弦信號(hào)有正有負(fù)，但是單片機(jī)只能采集非負(fù)數(shù)據(jù)，故需經(jīng)過硬件電路處理，利用電阻 R6，R7 分壓使電壓升高，將信號(hào)不失真地全部平移到正半軸上，然后經(jīng)由一個(gè)電壓跟隨器使輸出的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定。該部分電路如圖 4 所示。

2.4 電流信號(hào)頻率檢測分析電路

放大后的電壓信號(hào)需經(jīng)過硬件電路處理為 PWM 波后， 才能被單片機(jī)采用 PWM 波捕獲方式檢測出電流信號(hào)的峰峰值。輸入信號(hào)經(jīng)由一個(gè)過零比較器將周期正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)橥芷诘姆讲?，?jīng)一個(gè) 103 電容濾波提高電路穩(wěn)定性，再經(jīng)過 SS14 肖特基二極管整流，利用其單向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，將所有小于零的電壓信號(hào)變?yōu)榱?，此時(shí)就把正弦交流信號(hào)變成了PWM 波。由于單片機(jī)最高只能檢測 3.3 V 電壓，為了保護(hù)單片機(jī)，用一個(gè) SS14 肖特基二極管把電壓最大值穩(wěn)定在 3.3 V，單片機(jī)經(jīng)過程序捕獲 PWM 波計(jì)算出正弦交流信號(hào)的頻率。電流信號(hào)頻率檢測分析電路如圖 5 所示。

3 軟件程序調(diào)試

3.1 ADC 采集數(shù)據(jù)處理

首先將與 ADC 相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，開始數(shù)據(jù)采集 ；然后將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量發(fā)送到液晶顯示屏顯示。ADC 處理程序框圖如圖 6 所示。

3.2 PWM 輸入捕獲

首先將與 PWM 相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，采集數(shù)據(jù) ；然后開啟定時(shí)器輸入捕獲，將捕獲到的周期發(fā)送到顯示屏顯示。PWM 捕獲程序框圖如圖 7 所示。

4 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精確度，對(duì)經(jīng)過硬件電路處理后的電流進(jìn)行頻率與幅值檢測，測試結(jié)果見表 1所列。

對(duì)任意波信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為 100 ～ 1 000 Hz 的交流正弦信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)無失真功率放大，感應(yīng)線圈可無失真地采集到電流信號(hào)且可在單片機(jī)的液晶顯示屏上顯示出電流信號(hào)的頻率與幅值。被測正弦電流峰峰值范圍為 10 mA ～ 1 A，電流測量精度優(yōu)于 6%，頻率測量精度優(yōu)于 1%。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大與非接觸式電流信號(hào)檢測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量精度較高，制作成本低，且使用方便，適合用于對(duì)電流信號(hào)采集與檢測方面的研究。