基于單片機的電流信號檢測系統(tǒng)設計

引 言

隨著電子技術的發(fā)展，對電流信號檢測技術的精確度、便捷性要求也越來越高。本文通過應用 STM32 單片機設計電流信號檢測電路，實現(xiàn)對電流信號的非接觸式測量，并采用 TFT 液晶屏顯示所測頻率與幅值。該檢測系統(tǒng)的設計對于電流信號的放大與測量具有重要的研究意義。

1 系統(tǒng)總體設計

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、電流信號幅值檢測分析模塊、電流信號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 硬件電路設計

2.1 功率放大電路設計

功率放大電路采用 TDA2050 芯片作為驅(qū)動，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， 供電電壓采用 100nF與 200μF的電容濾波，降低脈動波紋系數(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 的感應線圈獲取后，經(jīng)過一個 51 Ω 的負載，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)的對稱性與負反饋作用，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點，以放大差模信號抑制共模信號最為顯著，廣泛應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)過負載產(chǎn)生的電壓放大到適合單片機處理的電壓，經(jīng)后續(xù)電路處理后交由單片機處理。非接觸式電流獲取電路如圖 3 所示。

2.3 電流信號幅值檢測分析電路

此部分需要檢測出正弦交流信號的峰峰值。由于正弦信號有正有負，但是單片機只能采集非負數(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，將信號不失真地全部平移到正半軸上，然后經(jīng)由一個電壓跟隨器使輸出的電壓信號更加穩(wěn)定。該部分電路如圖 4 所示。

2.4 電流信號頻率檢測分析電路

放大后的電壓信號需經(jīng)過硬件電路處理為 PWM 波后， 才能被單片機采用 PWM 波捕獲方式檢測出電流信號的峰峰值。輸入信號經(jīng)由一個過零比較器將周期正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)橥芷诘姆讲ǎ?jīng)一個 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，將所有小于零的電壓信號變?yōu)榱?，此時就把正弦交流信號變成了PWM 波。由于單片機最高只能檢測 3.3 V 電壓，為了保護單片機，用一個 SS14 肖特基二極管把電壓最大值穩(wěn)定在 3.3 V，單片機經(jīng)過程序捕獲 PWM 波計算出正弦交流信號的頻率。電流信號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 相關的寄存器進行初始化，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 相關的寄存器進行初始化，采集數(shù)據(jù) ；然后開啟定時器輸入捕獲，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

為了進一步驗證本文系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精確度，對經(jīng)過硬件電路處理后的電流進行頻率與幅值檢測，測試結(jié)果見表 1所列。

對任意波信號發(fā)生器輸入頻率為 100 ～ 1 000 Hz 的交流正弦信號，可實現(xiàn)無失真功率放大，感應線圈可無失真地采集到電流信號且可在單片機的液晶顯示屏上顯示出電流信號的頻率與幅值。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

本文設計了可用于實現(xiàn)對任意波信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號進行功率放大與非接觸式電流信號檢測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量精度較高，制作成本低，且使用方便，適合用于對電流信號采集與檢測方面的研究。