基于STM32單片機設計的非接觸式電流檢測控制系統

黃冬梅 王樹鑫

摘 要：本系統基于STM32單片機設計的非接觸式電流檢測控制系統，通過OPA548片將所給任意信號放大，由100 Ω電阻和INA128芯片進行電流電壓轉換放大后，利用STM32單片機對獲取的電壓信號以0.488 μs頻率采樣，利用STM32單片機的FFT庫，獲得信號的諧波信息。測量電流信號精準，該設計可廣泛應用在以STM32單片機為核心控制器件的新型儀表中，性能精準且抗干擾能力強。

關鍵詞：STM32；OPA548；自動增益控制

本系統設計采用OPA548對信號源進行功放，流過10 Ω負載電阻的電流峰峰值至少在1 A以上，利用霍爾效應制成的線圈檢測電流信號，經100 Ω電阻轉換為電壓信號；利用INA128芯片將獲得的電壓信號進行第一次放大，STM32單片機控制繼電器使第二次不同的放大倍數的電路導通，測量其峰峰值電壓；并對獲取的電壓信號進行快速傅里葉變換，找到頻率在1 kHz以下的諧波分量，單片機顯示測得的峰峰值、頻率和諧波頻率[1]。

1 系統設計方案

1.1 功率放大芯片

OPA548是一種低成本、高電壓、高電流的放大器，適用于各種負載的驅動，可提供優異的性能低電平信號精度和高輸出電壓和電流，且具有設計靈活、有過溫和過流保護特點，能提供精確的用戶設定的電流上限。

1.2 繼電器開關控制不同增益電路

采用多個運算放大器搭建有不同增益的放大電路，并在每個電路后串聯一個繼電器用于控制電路通斷，繼電器用前加一級反相器的高耐壓驅動管ULN2803控制其通斷。

1.3 頻率測量方案

利用STM32的FFT算法測量基波頻率，可降低編程的難度。利用ADC采樣之后將連續信號轉變為離散信號，將所得離散信號經FFT變換至頻域，獲得信號頻率[2]。

2 電路設計

2.1 系統的原理結構

系統的原理結構如圖1所示。

2.2 功率放大電路

采用OPA548芯片作為功率放大的核心芯片，調整電阻阻值使電路電流從10 mA放大至1 A，且在電路中增加去耦電容保證放大效果，具體電路如圖2所示。

2.3 電流轉換放大電路

由于系統感應線圈中得到的是電流信號，需用100 Ω電阻將感應線圈獲得的電流信號轉換為電壓信號。在此，先進行一次放大使單片機初步獲得電壓范圍，具體電路如圖3所示。

第二次放大的選通開關為繼電器，采用與第一次放大相似的電路，8.5倍放大電路[3]。

由于STM32獲取0～3 V的信號，需加直流偏移電路和加法器電路。

2.4 STM32單片機控制電路

STM32單片機通過驅動門控制繼電器通斷，由于單片機輸出口帶負載能力有限，故在驅動門前再加一級反相器提高帶負載能力[4]。

2.4.1 單片機外圍器件選擇

（1）開關芯片采用八路NPN達林頓連接晶體管陣系列的ULN2803。

（2）運算放大器核心芯片選擇INA128，穩定性強，外部電簡單。

2.4.2 程序功能的實現

（1）AD電壓采集：用STM32內置的ADC模塊，對信號通道Tix得到的電壓信號進行模數轉換。

（2）電流幅值、頻率的捕獲及算法：用STM32的FFT算法對獲得的數字信號進行快速傅里葉變換，得到需要的基波和諧波頻率及幅值。

（3）顯示部分：將獲取的動態數據延時顯示方便觀察。

3 測試方案與測試結果

3.1 測試方案

（1）電流幅值的測試：信號發生器產生50～1 000 Hz正弦波，分別取頻率50 Hz、100 Hz、300 Hz、500 Hz、800 Hz、1 kHz，在輸出端檢測輸出峰峰值，計算相對誤差。

（2）電流頻率的測試：使信號發生器輸出幅值固定的正弦波，頻率分別取50 Hz、100 Hz、200 Hz……，每隔100 Hz取一測試點直到1 kHz，在輸出端檢測輸出頻率，計算相對誤差。

（3）基波頻率的測試：使信號發生器產生頻率為50～ 1 000 Hz的脈沖波，幅值分別取0.1 V、5 V、10 V，在輸出點檢測輸出頻率，計算相對誤差。

（4）幅度的測試：使信號發生器產生頻率為50～1 000 Hz的脈沖波，幅值分別取0.1 V、5 V、10 V，在輸出點檢測輸出頻率，計算相對誤差。

3.2 測試結果

（1）被測正弦電流峰峰值范圍為10 mA～1 A，電流測量精度優于5%，頻率測量精度優于1%。

（2）任意波信號發生器輸出非正弦信號時，基波頻率范圍為50～200 Hz，電流信號基波頻率測量精度優于1%。

（3）各次諧波分量的幅度測量精度優于5%。

4 結語

由以上測試數據分析，該系統以STM32單片機為主控器件的新型儀表，采用OPA548作為放大器，能夠精確地檢測到電流的幅度、頻率等信息，具備操作簡單、功能完善、便于攜帶等特點，適合廣泛應用于自動化儀表中。

[參考文獻]

[1]德州儀器半導體技術（上海）有限公司大學計劃.德州儀器高性能模擬器件高校應用指南—信號鏈與電源[M].上海：德州儀器半導體技術（上海）有限公司大學計劃，2014：120-132.

[2]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]彭軍.運算放大器及其應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4]全國大學生電子設計競賽組委會.2015年全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社，2016.