基于单片机控制的交流电流信号检测装置的设计*

赵 新

（武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

1 系统方案

本系统主要由功率放大电路、电流检测分析电路、主控电路、显示电路、电流传感器部分组成。系统结构框图如图1所示。

该系统以IAP15W4K58S4单片机为核心部件，通过按键选择不同放大通道对非接触式传感器的电流信号进行测量，单片机采集电压和频率数据进行计算，在液晶屏上实时显示当前检测电流的峰峰值及频率。

2 电流测量方法

利用非接触式方法测量电路中的电流，故考虑采用电磁感应原理来测量。电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。

其产生感应电动势：

由于交流电符合正余弦曲线规律，用微分形式表示上式：

图1 系统结构框图

发电机、变压器上瞬时磁通量：

瞬间感应电动势：

最大感应电动势：

由（5）和（6）得 E有效= 2πfNϕm=4.44×fNϕm。

从E有效公式可以看出，当线圈匝数恒定时，输入信号频率f与电动势有效值成正比。

因此根据锰芯磁环的大小，用漆包线在其上绕制线圈自制了一个匝数为1900、电感量约为307.4mH、电阻值为45Ω的电磁感应探头，用以检测电流信号。经电感表测试发现，线圈绕制匝数越多，电感量越大，电阻值也越大，感应也越灵敏，但是电感量越大，引入的干扰反而会越多。

3 硬件电路设计

3.1 功率放大电路的设计

TDA2040作为功放芯片，其输出功率最大可以达到22W（RL=4Ω），可以通过调节R6来改变放大倍数。本电路采用单电源+18V供电模式，具体电路如图2所示。

3.2 电压放大及滤波电路的设计

电压放大及滤波电路如图3所示。

图2 功率放大电路

图3 电压放大及滤波电路

该电路由两级构成，第一级为电压分档放大电路，第二级为滤波电路。

当输入交流信号峰峰值在0.1V～1V之间时，电磁感应探头探测到信号幅度小；峰峰值在1V～10V之间时，信号幅度大。因此对这两段输入信号进行分档放大。故设计反相比例放大电路［1］，取小信号时电路放大倍数为-100倍，大信号时电路放大倍数为-15倍。因此输入电阻R1=5.1K，反馈电阻R3=75K，R4=510K，平衡电阻R2=5.1K。

经过探头感应及分档放大后的信号，都有高频的干扰信号夹杂其中，因此，在放大电路之后加一级有源反相低通滤波器［2］。经过电路实际测试发现，设定低通滤波器的截止频率为50Hz，可以抑制频率较高时的输出增益，保证当输入正弦波幅度一定时（100mV≤Vpp≤10V），不论如何改变输入信号频率（50Hz≤f≤1KHz），都可以保证输出幅度恒定。故取电容C1=0.5uF。又根据6.3K，取反馈电阻为R8=2K的固定电阻和R9=50K的滑动变阻器构成。该级滤波电路同时具有放大作用，可以使前级信号进一步放大，设定放大倍数在1～25倍之间，取R5=300Ω的固定电阻和R6=2K的滑动变阻器构成。

电源采用±10V供电，在正负电源端分别接10uF/25V电解电容和104的瓷片电容各一只进行退耦。

3.3 有效值电路的设计

有效值电路如图4所示。

图4 有效值电路

该电路是由两部分组成，U3A构成半波整流电路，U3B构成一阶低通滤波电路[2]。有效值电路是将交流信号经整流滤波后，把交流电压按比例变成直流电压，在数值上等于交流电压的有效值。当输入交流信号UO2＞0，UO3＜0，则D2截止，D1导通，UO4=-（R2/R1）*UO2；当 UO2＜0，UO3＞0，则 D2 导通，D1截止，UO4=0。因此在UO4处，得到与输入成比例的半波整流波形。后UO4经U3B低通滤波器，将半波波形滤波为平滑的直流电，通过RP滑动变阻器的调节，UO5其值大小等于输入交流电压UO2的有效值。

输出电压UO5即整流平均输出电压，为电阻性负载时的电压，即输出端接电阻元件时，在电阻元件上测到的电压，数值大小应为输入交流电压UO2有效值的0.45倍，即 2/π倍。

第一级运放的输入UO2与输出UO3的关系（有效值）

第二级运放的输入UO3与输出UO4关系（有效值）

其他关系式：R1=R2；R3=R1//R2；R5/R4=π/2 ≈2.22；R5C＞＞Tmax；R6=R5//R4；trr＜0.01/fc。其中：Tmax为电路最大工作周期；trr为二极管反向恢复时间；fc为输入信号最高频率。

具体参数设计过程如下：

（1）选择C、R5、R4

由于 R5C＞＞Tmax=1/fmin，取 C=1uF，则 R5＞＞1/(1×10-6×50)=20K，故取R5=220K。

R4=R5/2.22=220/2.22=99.1K，取R4由固定电阻R=51K和滑动变阻器RP（100K）串联组成。

（2）选择D1、D2

0.01/fc=0.01/(1×103)=10us，故 D1、D2选择1N4148 高速开关二极管，其 trr＜4ns，则满足 trr＜0.01/fc要求。

（3）选择R1、R2、R3、R6

取 R1=R2=10K，R3=R1//R2=5K，取 5.1KΩ；R6=R5//R4=68KΩ。

3.4 频率检测电路的设计

频率检测电路如图5所示：

图5 频率检测电路

频率检测电路是由过零电压比较器组成，采用双电源±10V供电。输入放大滤波后的感应正弦波信号，当其值大于0V，输出高电平；反之输出低电平，得到一个峰峰值为18V左右的方波信号。该方波信号幅度大于单片机可以处理的5V信号的范围，故在送入单片机前需加入信号处理电路，将输出方波信号幅度控制在5V以内。D1取1N4148二极管，分压电阻取R1=4.7K，R2=5.1K。

4 软件设计

本系统程序主要通过按键进行档位选择，确定测量的交流电流信号的放大档位，单片机经过AD转换的数据再做出相应的调节，同时液晶屏对实时采集的频率值和电流值信息进行显示［3］。程序流程图如图6所示。

5 测试方案与测试结果

5.1 测试仪器及方案

5.1.1 测试仪器

数字双踪示波器，直流稳压源，开关电源，信号发生器，4位半数字万用表。

图6 程序流程图

5.1.2 测试方案

（1）先用万用表检查电路各点连接，再将直流稳压电源调好+18V电压后，接入功率放大电路的正负电源端，再打开信号发生器，调节输出峰峰值为10V、频率为1K的正弦波信号接入功放电路的输入端，用双踪示波器探头，一踪看信号源的信号，另一踪看10Ω负载电阻两端的波形，这两个信号幅度应该是相同的。如果负载两端信号峰峰值没有10V，则可以通过调节功放电路输入端的503滑动变阻器来实现。

（2）调节直流稳压电源输出±10V电压，接入电流检测电路中，将负载端的导线穿过电流感应线圈，固定信号发生器输出正弦信号的幅度而改变频率（50Hz～1KHz），通过电流检测处理电路后，利用单片机测试经负载流过的电流信号，用LCD12864来显示对应峰峰值和频率。

5.2 测试数据

（1）以自制电磁传感器检测电流信号的峰峰值，测试结果如表1所示。

（2）以自制电磁传感器检测电流信号的频率，测试结果如表2所示。

（3）调节信号发生器输出信号为1KHz、电压峰峰值为10V正弦波送到功率放大电路的Ui端，用示波器测试负载10Ω两端输出波形，如图7所示。

再用示波器测试频率检测电路输出端UO6波形，如图8所示。

6 结论

由表1和表2可知，通过单片机多次调试，测量的电流检测信号的峰峰值误差＜5%，频率误差≤1%。此设计通过非接触式传感的电流检测电路，能将电磁感应线圈感应的环路电流信号进行放大滤波处理，通过单片机的控制及处理，在12864的液晶屏上实时显示电流的峰峰值和频率。

表1 电流峰峰值测速数据

表2 电流频率测试数据

图7 负载10Ω两端输出波形

图8 频率检测电路输出端UO6波形

在许多自动控制系统中，一些控制信号也是来自交流信号，需要检测，但交流检测往往存在两个最明显的困难：一是交流电流表不便串入电路中；二是检测电路与被测电路不能直接耦合，否则就会影响被测电路的直流工作点。因此本设计的非接触式交流电流检测方法，就为此提供了有效的途径，也可以作为检查电力系统工作状态、故障诊断的重要手段。