基于單片機的電流信號檢測系統設計

吳鵬浩 單一名 趙宏宇 戈忠義 竇浩鵬 吳寶春

摘 要：隨著電子行業的快速發展，電子產品與人們的日常生活密不可分。與此同時，對電子測量技術的精確度、便捷性的要求也逐步提高。文中以STM32單片機為核心控制器，采用功率放大、非接觸式電流獲取、電流信號幅值檢測分析、電流信號頻率檢測分析以及液晶顯示電路，實現對任意波信號發生器產生的信號進行功率放大與電流信號的頻率、幅值檢測。

關鍵詞：STM32單片機;功率放大;非接觸式電流;幅值檢測;頻率檢測;液晶顯示

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

隨著電子技術的發展，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 系統總體設計

本文系統主要包含硬件電路與軟件程序調試兩部分。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。軟件程序調試主要包括ADC采集數據處理與PWM波輸入捕獲。系統結構框圖如圖1所示。

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～±25 V。輸入電壓為0～±15 V。同相放大交流信號，供電電壓采用100 nF與200 μF的電容濾波，降低脈動波紋系數，平滑直流輸出，使電路工作性能更加穩定。此電路的電壓放大倍數公式為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匝數為1匝，輸出端線圈n2匝數為50匝，通過10 Ω電阻的電流經過匝數比為1∶50的感應線圈獲取后，經過一個51 Ω的負載，將穩定的交流電流值變為穩定的交流電壓值，再經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合的放大電路，利用電路參數的對稱性與負反饋作用，有效地穩定靜態工作點，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的電流經過負載產生的電壓放大到適合單片機處理的電壓，經后續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據，故需經過硬件電路處理，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，然后經由一個電壓跟隨器使輸出的電壓信號更加穩定。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。輸入信號經由一個過零比較器將周期正弦波轉變為同周期的方波，經一個103電容濾波提高電路穩定性，再經過SS14肖特基二極管整流，利用其單向導通的特點，將所有小于零的電壓信號變為零，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定在3.3 V，單片機經過程序捕獲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 軟件程序調試

3.1 ADC采集數據處理

首先將與ADC相關的寄存器進行初始化，開始數據采集;然后將采集到的模擬量轉換為數字量，將數字量發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，采集數據;然后開啟定時器輸入捕獲，將捕獲到的周期發送到顯示屏顯示。PWM捕獲程序框圖如圖7所示。

4 結果分析

為了進一步驗證本文系統測量數據的精確度，對經過硬件電路處理后的電流進行頻率與幅值檢測，測試結果見表1所列。

對任意波信號發生器輸入頻率為100～1 000 Hz的交流正弦信號，可實現無失真功率放大，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，電流測量精度優于6%，頻率測量精度優于1%。

5 結 語

本文設計了可用于實現對任意波信號發生器產生的信號進行功率放大與非接觸式電流信號檢測的系統，該系統測量精度較高，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。

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