一种电流信号检测装置的设计

目录1前言 11.1研究背景 11.2电流信号检测方法 12设计方案选择及论证 22.1系统整体设计目标 22.2系统整体设计思路 22.3系统关键电路方案设计 32.4主要元器件介绍 33硬件电路设计 43.1系统整体方案设计 43.2单片机控制电路 63.3TDA2030功率放大电路 73.4电流信号检测电路 83.5显示模块 94系统软件设计 94.1编译语言选择 94.2主程序流程设计 104.3液晶显示子程序设计 115系统调试 125.1软件的实现 125.2系统测试及结果 146总结及展望 19参考文献 20致谢 22广西师范大学本科毕业论文(设计)学生诚信保证书 23一种电流信号的检测装置的设计【内容摘要】电流信号作为电路中的重要指标，关系到电路性能的稳定发挥，因此其准确检测就显得尤为重要。本文以STM32单片机为核心器件，TDA2030功率放大模块、OPA336NA集成放大器等设计了一款电流信号检测装置。对于电气元件的正常运行，系统集成电路功能的稳定发挥及其重要，因此对于电流信号的检测就显得尤为关键。本文设计了一种电流信号的检测装置，该装置以STM32单片机为核心控制器件，由TDA2030功率放大电路以漆包线绕制的空芯线圈互感器获取电流信号，通过运算放大器放大，将数据反馈给STM32单片机。单片机接收信号之后，先进行AD转换，然后运用改进型的FFT算法处理，最后将检测到的电流的幅度和频率等信息通过液晶屏详细地显示出来，最终实现了检测环路电流信号的功能。经测试该装置达到了很高的测量精度，能精准测量电流信号。【关键词】电流；信号检测；STM32；TDA2031前言1.1研究背景随着能源与环境保护问题的日益凸显，新型能源代替传统的化石能源成为当前社会面临的重要问题。电力系统的智能化和数字化发展成为能源革命的重要途径。电力的传输控制需要通过检测技术来进行保护整定值的设定，以及控制逻辑的实现。因此电力参数的检测就显得尤为重要。电流信号的检测问题普遍的存在于强电和弱电环境中，对于弱电环境下微弱电流的检测对于精度的要求更高。从现阶段的电流检测技术来看，主要是通过电流互感器对电流信号进行采集，但是比较主流的电磁感应互感器存在磁芯饱和问题，另外，线性度和动态范围都存在一定的限制，难以满足现阶段对于电流信号检测的要求。为了提高电流检测的精度，目前普遍采用微处理进行电流信号的计算和控制[1]。一种方案是采用DSP技术，对信号进行处理，另一种方案是采用单片机进行电流信号的处理。当今，电流信号检测技术已经非常成熟。对着微电子技术和微控制器技术的发展，以单片机为核心的电流检测装置开始被广泛的应用，带来了电流检测领域的技术变革。本文设计的电流信号检测装置采用STM32系列单片机作为核心控制部件，同时采用功率放大电路，通过互感器电流检测构成完成的检测系统。该系统的设计注重采集检测精度的提高，在生产过程中具有很好的适用性。1.2电流信号检测方法1.2.1谐波测量采用傅里叶变换是现阶段谐波测量的主要方法，将检测到的信号通过时域进行离散处理，然后通过傅里叶展开，得到相应的频谱。然后根据频谱特征将不同次的谐波进行分类汇总，通过计算得出相应参数。该方法主要采用的算法是FFT，可以快速的将信号变换到频域[2]。1.2.2电流测量电流测量目前有两种方式，一种是非接触式测量，一种是接触式的测量。接触式测量通过将测量仪表串联在电路中直接测量，非接触是的测量是通过线圈感应来测量电流信号。通常采用的方式是将电流线路穿过互感器，然后通过感应获取电流信号，获取的模拟信号经过变换后被处理设备所捕获。电流信号通过放大和滤波输入到单片机中，然后通过AD变换将模拟信号转化为数字信号。可以做FFT变化，得到1024个离散的采用数据，经过计算后得出相应的频率。没有个采样点都表示一个频率，该数据就是相应的频率下的幅频特性。其中某一采样点的计算公式如下（1-1）所示。Fn=（n-1）*Fs/N（1-1）2设计方案选择及论证2.1系统整体设计目标本设计是以电流信号检测为目标，旨在对任意波形的电流信息进行高精度的检测。电流信号通过发生器产生，然后经功率放大电路放大，形成一个电气回路。然后采用非接触式的电流信号采用，将电流信号的幅值以及频率检测并显示出来。主要性能要求如下：当输入正弦信号频率范围为50HZ-1KHZ时，要求电流过10Ω负载电阻的电流峰值不小于1A，电流信号无失真。通过电流传感器获取电流采样信号，为了保证电路的稳定和，采用非接触采样。设计的电流信号检测电流可以对电流的频率和峰峰值进行测量。该系统可以对电流峰峰值在10mA以内的电流进行测量，其精度必须到达5%，频率测量精度保证在1%之内。通过信号发生器产生电流信号，将基波频率设施在50-200Hz，然后对电流信号进行监测，并对其高次谐波进行测量，电流谐波测量频率不超过1KHZ，测量精度优于5%。2.2系统整体设计思路非接触是的电流信号测量，一般信号都比较微弱，因此，为了对电流信号进行精准的检测，首先就需要对电流信号进行放大处理。然后外接电阻将电流信号转化为电压信号。但是电压信号微弱就容易受到其他信号的干扰。因此就需要对信号进行多次的放大和滤波处理，然后得到满足单片机输入端的电压信号。然后经内部AD变换处理[4]。单片机通过对电流信号的处理和计算，得出信号的频率和幅值，然后输出通过液晶显示屏显示。为了保证电路测量的精度和显示便捷性，单片机选用STM32F103，液晶显示选用TFT-LCD，并选用集成的功率放大器，提高测量和放大的精度。2.3系统关键电路方案设计2.3.1功率放大电路的选择方案一：采用普通的功率放大器设计。采用2个三极管，分别为NPN型和PNP型，然后将Q1的N极与Q2的P极串联，然后共基极连接，组成乙类放大电路。该类型的放大电路的有点在于电路的组成简单，成本低廉，但是结构特点决定了在工作的时候会产生严重的交越失真，因此电路发热严重，容易烧损。方案二：为了克服功率放大器产生交越失真对电路造成的不良影响，在电路的设计中采用电位器、运放、二极管等元器件共同搭建功率放大电路。电路采用负反馈设计，调节电位器可以避免运放间产生交越失真。由于运放并联电路不会呈现对称状态，通过电位器的调节可以使得电路工作在对称状态下，另外还可以消除电流限号的冲击。另外，考虑三极管的温度特定，随着电路工作温度升高，三极管的放大倍数会不断的增大，因此，采用负反馈设计，可以实时的消除输入与输出的偏差[5]。同时加入电容器，消除电路的自激振荡。通过以上两种方案的优劣对比，以及本设计的性能要求，选择方案二更能满足本设计的要求。本设计采用TDA2030功率放大器作为方案二的核心元件进行设计。2.3.2电流采样信号电路的选择本设计采用非接触式采样，通过电流互感器采集电流信号，然后通过电流采样电流变换后送到单片机处理。方案一：通过加法器和单相比较器来产生方波，由于电路组成简单，会产生大量的高频谐波，因此在输入单片机前进行电容滤波。方案二：采用OPA336NA集成放大芯片及外围处理电路对电流信号进行采样处理。然后将电流信号转换为电压信号。该芯片集成了多级运算放大器，可以消除信号的干扰，输入单片机的信号更加稳定，并与单片机的输入信号更加匹配[6]。因此，电路工作更加稳定。综合考虑电路的稳定性和精度，采用方案二设计电路电流的信号采用。2.4主要元器件介绍2.4.1STM32F103单片机简介STM系列单片机是一种嵌入式的单片机元件，最早有意大利公司推出，该型号的单片机是在ARM单片机的基础上发展而来的。由于单片机的特性决定了其使用场合以低功耗为主。STM32F103单片机采用Cortex-M3内核，其内部有多个寄存器和控制器，外部输入信号12路，2个AD转换器，因此可以有效的节省CPU资源，其器件自身功耗更低，避免了元件的发热。其信号的输入频率可以达到72MHz，存储器0等待等特性。单片机可以更加电路的工作状况自主选择休眠、停机和待机等模式。由此可以看出，STM32F103单片机具有强大的信号处理和计算功能，能够实现信号的高速采用，高速运算和输出控制等功能。因此，本设计中选用STM32F103型号单片机。2.4.2TDA2030ATDA2030A音频功放电路，常采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。如图所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。表2-1TDA2030A参数参数名称极限值极限值电源电压(Vs)±22V输入电压(Vin)VsV差分输入电压(Vdi)±15V峰值输出电流(Io)3.5A耗散功率(Ptot)(Vdi)20W工作结温(Tj)-40-+150℃存储结温(Tstg)-40-+150℃3硬件电路设计3.1系统整体方案设计图3-1为TDA2030A功放芯片及TL084运放芯片与STM32单片机结合的方案。首先电流小信号经过TDA2030构成的功率放大电路放大将其功率放大，然后通过自制的电流互感器感以340:1的电流比感应出小电流信号，此信号再由一片四运放芯片TL084构成四级放大电路，将其四通道输出连接至STM32的ADC1的四个ADC通道采样分析[7]。利用改进型FFT算法解析数据并绘制成波形显示在液晶屏上。此方案中TDA2030只需±15V双电源供电，成本低低，并且其设计要求相对简单；TL084性能一般且成本低，一片就能构成四级放大电路。图3-1系统原理模块图如图3-2所示，任意波形发生器输出的波形经过TDA2030A构成的功率放大电路放大将其功率放大经过10Ω电阻产生电压信号，电压信号通过电流互感器感应并检测处理电路，信号再由一片四运放芯片TL084构成的四级放大电路，将其四通道输出连接至STM32的ADC1的四个ADC通道采样分析[8]。利用改进型FFT算法解析数据并绘制成波形显示在液晶屏上。图3-2系统整体框图在硬件电路中，信号通过功放放大，然后通过电流互感器感应至运放放大电路中进行选择性通道放大，然后由STM32单片机采样数据处理分析，单片机接收信号之后，先进行AD转换，然后运用改进型的FFT算法处理[9]。最后将检测到的电流的幅度和频率等信息通过液晶屏详细地显示出来。硬件部分分为TDA2030功率放大电路、电流信号检测电路和单片机控制电路三个模块。3.2单片机控制电路本系统选用STM32F103R，它是一款以ARM单片机为基础的微型控制器，其存贮容量大，内置寄存器、AD转换模块、通信接口以及定时器等，可以满足多种功能的电路计算，具有强大的控制功能，可以对电路的基本信号和数据进行处理分析和控制。单片机作为微型控制器主要是其具有强大的软件性能，但是为了实现电路的功能，达到控制电路工作的目的，还需要配合其他外围电路来实现。如时钟电路、复位电路、电源模块等。其中时钟电路、复位电路和电源模块构成了的单片机最小系统，单片机最小系统既可以正常运行。然后配合输出和输出电路，就可以完成电路基本功能的实现[10]。（1）时钟电路时钟电路是单片机工作的基本功能模块，为电路提供时钟信号，该模块缺乏电路不能够正常的工作。本次设计中采用2个22pF电容和8MHZ石英晶振组成时钟电路，然后直接连接刀单片机的时钟信号输入端口。通常单片机的18和19引脚是作为时钟信号的输入IO口。外接时钟信号后，电路会查还是能脉冲信号，当电路正常工作的时候，获取时钟信号。电路如图3-3所示。图3-3时钟电路（2）复位电路复位电路的设计有多种思路，其设计理念的不同电路的组成方式也有所差异，但是其核心功能都是输入信号让电路回复最初的工作状态。本次设计中采用阻容电路进行，电阻选用10k，电容选用0.1uf，然后将电阻一端与3.3V电源连接，电容一端直接接地。然后通过按键来实现高低电平的电压信号输入。当按键按下后复位端信号输入为低电平，阻容电路的设计主要是为了避免由于短路将电源直接与单片机接通，从而烧坏电路。电路如3-4所示。图3-4复位电路图3.3TDA2030功率放大电路如图3-5为功率放大模块电路图，功率放大模块采用TDA2030A集成电路。TDA2030A集成模块外接元件较少，接法简单，价格实惠，采用较小型封装，可提高组装密度，开机冲击小，允许单电源接法和双电源接法，且集成电路输出功率大，保护性能以较完善。该模块的电路设计以TDA2030A为核心器件进行了外围电路的设计，电路采用负反馈的设计。通过调节RV1进行电路放大倍数的改变，通过二极管D2、D3的单相导通特性，以及电阻R5构成负反馈电路，将输出信号的反馈至TDA2030的输入端，与输入信号进行比较，以此来达到动态调节的功能。因此，该功率放大电路精度更高。图3-5功率放大电路3.4电流信号检测电路如图3-6所示为电流信号检测模块电路图。采用线圈电流互感器感应并检测处理电压信号，转换后的电压信号通过TL084芯片进行多级的放大，然后输入到单片机处理。该元器件为多级的放大电路，然后集成到一起保证了放大的精度，同时还避免了信号的干扰。它具有宽共模（Vcc+）及差模电压范围、高阻抗、频率补偿和电路的电流电压保护等特性[11]。该部分电流信号检测电路有信号采集部分，电流电压转换部分组成。首先通过电流互感器采集电流信号，然后通过电阻R6、R7进行分压后输入到芯片OPA336NA中，R8、R9、R10及电容C9起到稳压作用。OPA336NA输出信号通过R1、R2分压后反馈到OPA336NA端，形成负反馈电路。通过C8稳压后输出，然后输入到单片机端。因此该电路可以消除信号的干扰，进行电流信号的精准采集。图3-6电流信号检测电路3.5显示模块显示模块电路主要是以单片机的输出接口到液晶显示的电路，液晶显示屏可以通过输入端口的电压信号来改变显示的亮度。设计分压电路将电源进行分压收输入液晶显示屏。可以通过液晶显示屏的7和14输入管脚来控制显示内容，与单片机的P0.0-P0.7输出端口依次连接。单片机通过信号处理后将电流的频率和幅值信息编码后输入到液晶显示屏，显示屏通过解码后显示信息。显示模块电路如图3-7所示。图3-7液晶显示电路4系统软件设计4.1编译语言选择单片机作为微处理器其诸多功能可以通过编程来实现，单片机采用的编程语言包括C语言和汇编语言。汇编语言作为基础语言，可读性不高。C语言作为高级编译语言，被广泛的使用，作为高级编译语言的一种，其可读性非常强，编译的过程具有较强的逻辑性，同时程序占用的资源少，执行效率高。C语言具有较好的移植性，但是汇编语言由于CPU的不同不可移植。C语言作为高级语言的一种，其具有高级编译语言的特征，当然也兼容了汇编语言的所有的特点。其编译的便捷性高，可以最语言进行大幅度的精简，从而提高运行的效率。同时语法方面没有严格的规则，对于初学者来讲比较适用。基于以上分析本系统的设计采用C语言进行程序的编译。4.2主程序流程设计本系统程度的设计是为了配合外围的硬件电路实现电流信号的检测，最主要的是实现电流信号的幅值和频率的测量，然后通过辅助电路进行显示。软件的编译主要是提取电流信号，通过AD转换和变换算法，在保证计算精度的前提下提高运行的效率，并保证电路的稳定性。电流的采用主要是通过电流电压信号的转换、信号的放大和傅里叶计算。检测精度主要是通过对电流信号的周期脉冲进行采用，然后同归TFT函数计算，进行离散的变换处理，最终得到电流信号的频率和峰峰值。其他功能模块子程序设计较为常规，可以直接调用。图4-1系统主程序流程图从图4-1主程序流程图可以看出，电路的主程序设计比较简短主要是进行系统的初始化，子程序的初始化。为了提高系统的运行效率，不同的功能模块编译了子程序，主程序通过调用子程序来实现。由于采用的电流信号不能直接被单片机处理，因此将电流信号转换为电压信号，然后通过单片的AD转换模块，经过内部中断处理，算法变换得采集的输出信号，包括电流的峰峰值和频率。4.3液晶显示子程序设计显示电流采用液晶显示，通过程度的运行可以将采集到的信号实时的分布，将当前的电流信号幅值和频率显示出来。具体实现如图4-2所示。图4-2显示程序流程图5系统调试5.1软件的实现本次设计硬件方面采用性能优异的STM32系列单片机和集成功率放大模块，保证了采集电路的进度。软件方面采用C语言，通过Keil2进行编程实现。该编程软件使用方便，用户可以直接在改系统上面搭建电路，然后将编译好的程序烧录到单片机中模拟运行，检查程序的错误，编译没有问题后直接可以烧录到单片机硬件中。其功能特别强大，可以对多种形式的文件进行编译，另外，该软件还自带庞大的函数库，使用者可以轻松的对程序进行调试，极大的缩减了条件的时间，提供效率的同时代理了便利。基于这些优点，本次设计采用Keil2进行程序的编译和调试，系统界面如图5-1所示。图5-1操作界面图该软件操作方便，初学者可以通过简单的学习即可掌握。软件的使用主要是通过五个步骤来实现。首先是系统的界面熟悉，常用的到的功能主要有菜单、输出、工具栏和工程窗口。如果是初次进入可以新建工程，如果是对已经有的文件进行编译，则通过打开现有文件来进行编译；其次是进行程序的编写，通过源文件的编译后，加入到新建工程中。然后是通过软件的自检功能对程序进行初步的检查，如果是编译过程中有语法的错误，则可以在错误窗口中进行提示。编译这可以通过错误窗口的提示，迅速的的定位到错误处，然后进行相应的修改；最后完成程序的编译后，将编译好的程序文件下载到单片机中，通过调试达到程序与硬件的匹配。操作界面如图5-2所示。图5-2STC—ISP操作界面图5.2系统测试及结果5.2.1测试方案（1）首先是进行硬件电路的查看，在电路上点前通过万用表查看是否有短路和虚焊的情况。因为短路会对电路造成致命性的破坏，尤其是电源的短路。检查没有短路和虚焊情况后可以上电调试。首先进行各个功能的测试。功能调试通过后，开始电流信号采样的调试。本调试方案中采用信号发生器进行电流信号的模拟，然后通过示波器来显示电流点好的输出测试。主要是看电流发生器的输出信号是否满足要求，其次看负载端的电流幅频情况。通过电路调节达到最佳的测试状态。（2）通过电阻调节电源稳定的输出±10V电压，然后将导线穿过电流互感器，然后他处处稳定的电流信号，通过电路的放大变化和计算处理之后输出，显示屏显示电流峰峰值和频率。系统实物如图5-3所示。图5-3系统实物图5.2.2测试数据及结果（1）以自制电磁传感器检测电流信号的峰峰值。（2）以自制电磁传感器检测电流信号的频率。（3）系统运行情况如图5-4所示。调节电流信号发生器的电流频率分别为50Hz、200Hz、300Hz、500Hz、700Hz、800Hz、900Hz和1000Hz，峰峰值为10mA，300mA，500mA，800mA和1000mA，用示波器观察输出值，测试图如下所示。图5-4系统实物运行图图5-5示波器波形输出图通过单片机系统多次调试，示波器电流输出结果如下表所示。表5-1峰峰值(10mA)测量结果及分析测量值频率（Hz）502003005007008009001000峰峰值（mA）9.89.79.810.110.210.210.410.3误差(%)23212243频率(Hz)49.51982995026998018991002误差(%)110.330.40.140.120.110.2表5-2峰峰值(300mA)测量结果及分析测量值频率（Hz）502003005007008009001000峰峰值（mA）298304306308306301307310误差(%)0.61.32.02.62.00.332.33.3频率(Hz)49.51982995026998018991002误差(%)110.330.40.140.120.110.2表5-3峰峰值(500mA)测量结果及分析测量值频率（Hz）502003005007008009001000峰峰值（mA）487497502512507513507508误差(%)2.60.60.42.41.42.61.41.6频率(Hz)49.51982995026998018991002误差(%)110.330.40.140.120.110.2表5-4峰峰值(800mA)测量结果及分析测量值频率（Hz）502003005007008009001000峰峰值（mA）785796803813819810796806误差(%)1.80.50.51.62.31.20.50.7频率(Hz)49.51982995026998018991002误差(%)110.330.40.140.120.110.2表5-5峰峰值(1000mA)测量结果及分析测量值频率（Hz）502003005007008009001000峰峰值（mA）996100410231033988975966960误差(%)0.40.42.33.31.22.53.44.0频率(Hz)49.51982995026998018991002误差(%)110.330.40.140.120.110.2标准差计算公式：(5-1)误差计算公式为:(5-2)其中为测量真值，为输入值，为误差。通过对上述测量数据的分析计算得出，测量的电流检测信号的峰峰值误差为4%<5%，频率误差1.6%≤2%。由此可见本次设计的电流信号测量系统误差较小，具有一定的精度。从以上测试数据可以看出，电流信号输入的幅值对于电流频率的输出不会造成影响。电流输出频率只会受到输入频率的影响。但是峰峰值会受到输入频率的影响产生一定的波动。从电路结构分析可以发现，输出骗你了会受到电路固有频率的影响，但是峰峰值不会改变固有频率，所以输出频率相对稳定。峰峰值的输出会受到放大电路的影响，但是电路放大器的输出性能会受到多方面的因素的影响，包括频率。本次设计中电流信号的采样是通过非接触式检测，采用电磁感应原理进行电流信号的获取，采集信号通过放大处理和计算变换后在液晶显示屏上进行显示。在现代控制系统中，电流信号的采集对于电流的控制和保护至关重要，但是交流信号的检测往往由于测量仪表不能直接的串接到电路中给测量带来难度，同时还会产生耦合效应，影响电路的测量精度。本设计克服了这一测量缺陷，通过非接触式得测量，对电路电流信号进行高精度的测量，以此来保证电路的稳定工作。6总结及展望本次电流信号的检测装置采用互感器进行电流信号的采集，然后通过放大滤波后输入单片机进行处理，最后在液晶显示屏上显示数据。本次设计中采用TDA2030功率放大模块，并采用负反馈设计，因此电流信号的采集具有更好的信号跟踪信能和信号处理的精准度。最后通过系统的数据测试，电流信号的峰峰值误差为4%<5%，频率误差1.6%≤2%。满足设计的要求。电流信号的采集大多采用非接触式，因此采集的信号比较小，并且波形稳定，因此需要通过放大滤波。在工业控制中，电流信号以交流信号为主，因此不能将测量仪表直接串如到回路中，否组会造成回路工作的异常和不稳定。因此，非接触式的电流信号采集检测装置成为研究的重点和趋势之一。参考文献[1]王威,崔敏,李孟委,张鹏,吴倩楠,张胜男.pA级电流信号检测电路设计[J].中北大学学报(自然科学版),2019(02):173-179.[2]李宏亮,张清勇,吝继锋.伺服控制电流信号检测技术研究[J].科技创新与应用,2019(07):151-153+157.[3]刘阳.数字PCB电流传导干扰信号检测的一种算法[J].四川水泥,2018(12):327+346.[4]李彦君,赵帆.基于MSP430单片机的电流信号检测装置[J].电脑迷,2018(11):95.[5]张心怡,官文亮,梅政,李刚.电流信号检测装置[J].电子制作,2018(21):62-64.[6]黄平,张宇飞.电流信号检测装置设计[J].南方农机,2018，49(20):134.[7]赵新.基于单片机控制的交流电流信号检测装置的设计[J].武汉交通职业学院学报,2018,20(03):100-104.[8]韩岱洪.基于STM32单片机的电流信号检测装置设计[J].计算机产品与流通,2018(08):113+118.[9]杨家兴.小电流接地系统的动态补偿仿真研究[D].广西大学,2018.[10]任丽囡.电缆局部放电的脉冲电流信号检测及信号处理[D].河北科技大学,2016.[11]倪伟.计轴轨道电路信号检测采集模块的设计与实现[D].电子科技大学,2016.

ACurrentSignalDetectionDeviceAb