基于单片机的电流信号检测系统设计

引 言

随着电子技术的发展，对电流信号检测技术的精确度、便捷性要求也越来越高。本文通过应用 STM32 单片机设计电流信号检测电路，实现对电流信号的非接触式测量，并采用 TFT 液晶屏显示所测频率与幅值。该检测系统的设计对于电流信号的放大与测量具有重要的研究意义。

1 系统总体设计

本文系统主要包含硬件电路与软件程序调试两部分。硬件电路由 5 个功能模块组成，分别是功率放大模块、非接触式电流获取模块、电流信号幅值检测分析模块、电流信号频率检测分析模块以及液晶显示模块。软件程序调试主要包括ADC 采集数据处理与 PWM 波输入捕获。系统结构框图如图 1 所示。

图 1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 功率放大电路设计

功率放大电路采用 TDA2050 芯片作为驱动，将输入的交流电流放大到所需的 1 A 以上。TDA2050 供电电压范围为±4.5～ ±25V。输入电压为0～ ±15V。同相放大交流信号， 供电电压采用 100nF与 200μF的电容滤波，降低脉动波纹系数，平滑直流输出，使电路工作性能更加稳定。此电路的电压放大倍数公式为 Av=1+R3/R2，功率放大电路如图 2所示。

2.2 非接触式电流获取电路

由公式 I1/I2=n2/n1 得输入端线圈 n1 匝数为 1 匝，输出端线圈 n2 匝数为 50 匝，通过 10 Ω 电阻的电流经过匝数比为1 ∶ 50 的感应线圈获取后，经过一个 51 Ω 的负载，将稳定的交流电流值变为稳定的交流电压值，再经过一个差分放大电路变到 2.5 V 左右，交由随后电路处理并检测交流信号的幅值与频率。差分放大电路是同相输入与反相输入相结合的放大电路，利用电路参数的对称性与负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号最为显著，广泛应用于测量电路与直接耦合电路的输入。此电路中利用差分放大电路与可变反馈电阻，可将 10 mA ～ 1 A 的电流经过负载产生的电压放大到适合单片机处理的电压，经后续电路处理后交由单片机处理。非接触式电流获取电路如图 3 所示。

2.3 电流信号幅值检测分析电路

此部分需要检测出正弦交流信号的峰峰值。由于正弦信号有正有负，但是单片机只能采集非负数据，故需经过硬件电路处理，利用电阻 R6，R7 分压使电压升高，将信号不失真地全部平移到正半轴上，然后经由一个电压跟随器使输出的电压信号更加稳定。该部分电路如图 4 所示。

2.4 电流信号频率检测分析电路

放大后的电压信号需经过硬件电路处理为 PWM 波后， 才能被单片机采用 PWM 波捕获方式检测出电流信号的峰峰值。输入信号经由一个过零比较器将周期正弦波转变为同周期的方波，经一个 103 电容滤波提高电路稳定性，再经过 SS14 肖特基二极管整流，利用其单向导通的特点，将所有小于零的电压信号变为零，此时就把正弦交流信号变成了PWM 波。由于单片机最高只能检测 3.3 V 电压，为了保护单片机，用一个 SS14 肖特基二极管把电压最大值稳定在 3.3 V，单片机经过程序捕获 PWM 波计算出正弦交流信号的频率。电流信号频率检测分析电路如图 5 所示。

3 软件程序调试

3.1 ADC 采集数据处理

首先将与 ADC 相关的寄存器进行初始化，开始数据采集 ；然后将采集到的模拟量转换为数字量，将数字量发送到液晶显示屏显示。ADC 处理程序框图如图 6 所示。

3.2 PWM 输入捕获

首先将与 PWM 相关的寄存器进行初始化，采集数据 ；然后开启定时器输入捕获，将捕获到的周期发送到显示屏显示。PWM 捕获程序框图如图 7 所示。

4 结果分析

为了进一步验证本文系统测量数据的精确度，对经过硬件电路处理后的电流进行频率与幅值检测，测试结果见表 1所列。

对任意波信号发生器输入频率为 100 ～ 1 000 Hz 的交流正弦信号，可实现无失真功率放大，感应线圈可无失真地采集到电流信号且可在单片机的液晶显示屏上显示出电流信号的频率与幅值。被测正弦电流峰峰值范围为 10 mA ～ 1 A，电流测量精度优于 6%，频率测量精度优于 1%。

5 结 语

本文设计了可用于实现对任意波信号发生器产生的信号进行功率放大与非接触式电流信号检测的系统，该系统测量精度较高，制作成本低，且使用方便，适合用于对电流信号采集与检测方面的研究。