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

秦晨晨　王陳寧

摘?要：本設(shè)計(jì)為電流信號(hào)檢測，主要由電源供電電路、功率放大電路、非接觸式電流檢測電路、峰值保持電路以及單片機(jī)采樣電路構(gòu)成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)非接觸和無失真檢測，對(duì)于正弦信號(hào)可測量其峰峰值和頻率，對(duì)于非正弦信號(hào)可測量其基波和各次諧波的頻率與幅度，所測值均可在OLED屏上顯示出來。系統(tǒng)頻率測量范圍為50-1000Hz，電流測量精度優(yōu)于5%，頻率測量精度優(yōu)于1%。

關(guān)鍵詞：信號(hào)檢測;非接觸式電流傳感器;AD轉(zhuǎn)換;快速傅里葉變換

1 緒論

電流信號(hào)檢測可分為接觸式電流檢測和非接觸式電流檢測，國內(nèi)外對(duì)于接觸式電流檢測技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，而非接觸式電流檢測領(lǐng)域有很多有待進(jìn)一步提高，如精度不高，工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴等。文中提出一種簡易有效、成本低廉、精度高的非接觸式電流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用漆包線繞制線圈自制電流傳感器，無需特殊磁芯材料，減少了對(duì)待測電流頻率范圍造成的限制，避免了磁滯現(xiàn)象，同時(shí)利用電磁感應(yīng)原理制作的非接觸式電流信號(hào)傳感器，有效避免了對(duì)待測電路產(chǎn)生影響。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可滿足工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)非接觸測量的要求，提高了設(shè)備的性能以及可為科研領(lǐng)域提供精確的可供參考數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。電流信號(hào)經(jīng)過電流傳感器檢測出來，因?yàn)殡娏餍盘?hào)不能直接被控制器識(shí)別，需要通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過采樣保持電路送到單片機(jī)，采樣電壓通過快速傅里葉變換算法（FFT）得出待測基波及各次諧波分量的幅度，測量結(jié)果通過OLED顯示屏顯示出來。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器選擇

本系統(tǒng)選取了增強(qiáng)型的STM32微控制器。該微控制器是由意法半導(dǎo)體集團(tuán)生產(chǎn)的一款Cortex-M4內(nèi)核的32位微控制器。其Flash的大小為512K字節(jié)、其RAM的大小為196K字節(jié)、具有硬件看門狗、具有多向量中斷結(jié)構(gòu)、具有多個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、多個(gè)串行通信口、24個(gè)12位ADC通道。該單片機(jī)支持最高運(yùn)作頻率為168MHz，自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，可滿足采樣信號(hào)為模擬電流信號(hào)的要求，STM32微控制器內(nèi)部可以進(jìn)行諧波分析。

3.2 傳感器電路

獲取電流信號(hào)，非接觸式電流傳感器采用漆包線繞制而成，有效避免了測量電路接入待測電路產(chǎn)生的響，非接觸式電流傳感器示意圖如圖2所示。非接觸式電路輸入端與輸出端的匝數(shù)比N1：N2=1：200，線圈內(nèi)徑約為15mm，外徑約為20mm，漆包線直徑0.1mm。

3.3 電流信號(hào)檢測分析電路設(shè)計(jì)

電流檢測系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)直接進(jìn)行A/D采樣，優(yōu)點(diǎn)是STM32單片機(jī)自帶A/D和D/A等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以直接采樣，且能夠進(jìn)行8192點(diǎn)FFT處理，擴(kuò)展SRAM后可滿足65536點(diǎn)FFT運(yùn)算。TM32最大ADC頻率可以達(dá)到2.2MHz，但是精度不能滿足要求，所以在滿足精度的條件下可以適當(dāng)降低采樣頻率，最后采樣頻率選擇100kHlz。為提高精度，對(duì)多次測量結(jié)果取平均值。其非接觸式電流信號(hào)檢測分析電路設(shè)計(jì)如下圖3所示：

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 FFT算法原理

FFT是離散博里葉變換（DFT）的快速算法，改進(jìn)的FFT算法使復(fù)雜度由原來的N2次運(yùn)算變?yōu)镹*logN次運(yùn)算，大幅提高了運(yùn)算過程減少了運(yùn)算量。快速傅氏變換根據(jù)離散傅氏變換的奇偶虛實(shí)等特性，利用對(duì)稱性，不斷地進(jìn)行一分為二的方法，接近極限時(shí)，即分成兩兩一組的DFT運(yùn)算單元，算法復(fù)雜度優(yōu)化為O（N*logN）級(jí)別，以此極大縮小計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。二分法算法如下：

4.2 FFT程序?qū)崿F(xiàn)

由于FFT微處理器使用機(jī)器語言，機(jī)器語言通過補(bǔ)碼完成操作，輸出的數(shù)據(jù)也為補(bǔ)碼，我們需通過補(bǔ)碼原碼的關(guān)系用程序來得到我們想要的結(jié)果。當(dāng)輸出為正數(shù)時(shí)，補(bǔ)碼和原碼相等，輸出為負(fù)數(shù)時(shí)，補(bǔ)碼最高位不變其余各位取反加一即為原碼，我們也是通過最高位數(shù)據(jù)判斷正負(fù)數(shù)，最高位為1即為負(fù)數(shù)，為零即為正數(shù)。通過以上操作后即可得到數(shù)據(jù)真值。程序框圖如圖4所示。

5 實(shí)物測試結(jié)果分析

在搭建系統(tǒng)前，先調(diào)試單個(gè)模塊工作是否正常，在所有模塊都能達(dá)到要求后，開始搭建系統(tǒng)，將功率放大電路，非接觸式電流傳感器和單片機(jī)檢測電路固定在PCB板上，將連線接好固定，連接開關(guān)電源和信號(hào)發(fā)生器，對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)依次進(jìn)行測試。系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示：

下表為輸入信號(hào)為正弦波時(shí)的測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均為五次測量所取得平均值。

6 小結(jié)

本非接觸檢測系統(tǒng)避免了檢測電路和待測電路之間的相互影響，可實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)無失真檢測，針對(duì)正弦信號(hào)可測量其峰峰值和頻率并可顯示出來，對(duì)于非正弦信號(hào)可測量其基波和各次諧波的頻率與幅度，電流測量精度可達(dá)5%，頻率測量精度優(yōu)于1%。本系統(tǒng)在現(xiàn)階段電流信號(hào)檢測的基礎(chǔ)上，加入了非接觸式檢測進(jìn)一步增強(qiáng)了電流信號(hào)檢測系統(tǒng)的適用性，提高了電流檢測精度，降低了復(fù)雜的工藝要求，較少了系統(tǒng)制作成本，具有極大的實(shí)際應(yīng)用前景。

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