基于單片機的電流信號非接觸檢測系統設計

秦晨晨　王陳寧

摘?要：本設計為電流信號檢測，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采樣電路構成。該系統可實現電流信號非接觸和無失真檢測，對于正弦信號可測量其峰峰值和頻率，對于非正弦信號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。系統頻率測量范圍為50-1000Hz，電流測量精度優于5%，頻率測量精度優于1%。

關鍵詞：信號檢測;非接觸式電流傳感器;AD轉換;快速傅里葉變換

1 緒論

電流信號檢測可分為接觸式電流檢測和非接觸式電流檢測，國內外對于接觸式電流檢測技術現在已經比較成熟，而非接觸式電流檢測領域有很多有待進一步提高，如精度不高，工藝復雜，價格昂貴等。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，該系統采用漆包線繞制線圈自制電流傳感器，無需特殊磁芯材料，減少了對待測電流頻率范圍造成的限制，避免了磁滯現象，同時利用電磁感應原理制作的非接觸式電流信號傳感器，有效避免了對待測電路產生影響。該系統的設計可滿足工業生產中對非接觸測量的要求，提高了設備的性能以及可為科研領域提供精確的可供參考數據。

2 系統總體方案設計

系統框圖如圖1所示。電流信號經過電流傳感器檢測出來，因為電流信號不能直接被控制器識別，需要通過電流電壓轉換電路將電流信號轉換成對應的電壓信號，電壓信號通過采樣保持電路送到單片機，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，測量結果通過OLED顯示屏顯示出來。

3 系統硬件設計

3.1 控制器選擇

本系統選取了增強型的STM32微控制器。該微控制器是由意法半導體集團生產的一款Cortex-M4內核的32位微控制器。其Flash的大小為512K字節、其RAM的大小為196K字節、具有硬件看門狗、具有多向量中斷結構、具有多個定時計數器、多個串行通信口、24個12位ADC通道。該單片機支持最高運作頻率為168MHz，自帶的A/D轉換器，可滿足采樣信號為模擬電流信號的要求，STM32微控制器內部可以進行諧波分析。

3.2 傳感器電路

獲取電流信號，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比N1：N2=1：200，線圈內徑約為15mm，外徑約為20mm，漆包線直徑0.1mm。

3.3 電流信號檢測分析電路設計

電流檢測系統采用STM32單片機直接進行A/D采樣，優點是STM32單片機自帶A/D和D/A等功能，系統結構簡單，使用方便，可以直接采樣，且能夠進行8192點FFT處理，擴展SRAM后可滿足65536點FFT運算。TM32最大ADC頻率可以達到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降低采樣頻率，最后采樣頻率選擇100kHlz。為提高精度，對多次測量結果取平均值。其非接觸式電流信號檢測分析電路設計如下圖3所示：

4 系統軟件設計

4.1 FFT算法原理

FFT是離散博里葉變換（DFT）的快速算法，改進的FFT算法使復雜度由原來的N2次運算變為N*logN次運算，大幅提高了運算過程減少了運算量。快速傅氏變換根據離散傅氏變換的奇偶虛實等特性，利用對稱性，不斷地進行一分為二的方法，接近極限時，即分成兩兩一組的DFT運算單元，算法復雜度優化為O（N*logN）級別，以此極大縮小計算機的運行時間。二分法算法如下：

4.2 FFT程序實現

由于FFT微處理器使用機器語言，機器語言通過補碼完成操作，輸出的數據也為補碼，我們需通過補碼原碼的關系用程序來得到我們想要的結果。當輸出為正數時，補碼和原碼相等，輸出為負數時，補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據判斷正負數，最高位為1即為負數，為零即為正數。通過以上操作后即可得到數據真值。程序框圖如圖4所示。

5 實物測試結果分析

在搭建系統前，先調試單個模塊工作是否正常，在所有模塊都能達到要求后，開始搭建系統，將功率放大電路，非接觸式電流傳感器和單片機檢測電路固定在PCB板上，將連線接好固定，連接開關電源和信號發生器，對系統各項指標依次進行測試。系統實物如圖5所示：

下表為輸入信號為正弦波時的測試數據，數據均為五次測量所取得平均值。

6 小結

本非接觸檢測系統避免了檢測電路和待測電路之間的相互影響，可實現電流信號無失真檢測，針對正弦信號可測量其峰峰值和頻率并可顯示出來，對于非正弦信號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5%，頻率測量精度優于1%。本系統在現階段電流信號檢測的基礎上，加入了非接觸式檢測進一步增強了電流信號檢測系統的適用性，提高了電流檢測精度，降低了復雜的工藝要求，較少了系統制作成本，具有極大的實際應用前景。

參考文獻：

[1]朱凌.非接觸式電流測量傳感理論研究與實踐[D].上海交通大學.

[2]陳炫均.基于Arm Cortex-m3+的快速傅里葉變換實現[J].日用電器，2017（7）：98-102.

[3]史振江.基于stm32單片機的公寓安全控制系統設計與實現[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2017，16（3）：58-62.

[4]劉虹，李昱坤，劉彥軍.基于STM32的電流信號諧波分量檢測系統的設計[J].廈門理工學院學報，2018，26（05）：31-36.

[5]侯永春，高紅衛.基于單片機的簡易頻譜分析系統的設計[J].寶雞文理學院學報：自然科學版，2014（2）：70-73.

[6]周小麗.基于單片機的快速傅里葉算法實現[J].電子技術與軟件工程，2015（2）：263.

[7]陳璐，劉衛玲，常曉明.基于霍爾傳感器HW-302的非接觸式電流波形檢測系統[J].電子測量技術，2015，38（5）：89-92.

[8]李剛，邢佳.一種非接觸式高精度AC電流檢測系統的設計[J].現代科學儀器，2010（1）：43-46.

[9]楊麗娟，張白樺，葉旭楨.快速傅里葉變換FFT及其應用[J].光電工程，2004，31（z1）.

[10]鄒江鋒，劉滌塵，譚子求.基于FFT算法的分次諧波測量與分析[J].高電壓技術，2003，29（9）.