基于單片機(jī)控制的交流電流信號(hào)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)*

趙 新

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由功率放大電路、電流檢測(cè)分析電路、主控電路、顯示電路、電流傳感器部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)以IAP15W4K58S4單片機(jī)為核心部件，通過(guò)按鍵選擇不同放大通道對(duì)非接觸式傳感器的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，單片機(jī)采集電壓和頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢測(cè)電流的峰峰值及頻率。

2 電流測(cè)量方法

利用非接觸式方法測(cè)量電路中的電流，故考慮采用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電動(dòng)勢(shì)，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流。

其產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

由于交流電符合正余弦曲線規(guī)律，用微分形式表示上式：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)電機(jī)、變壓器上瞬時(shí)磁通量：

瞬間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

由（5）和（6）得 E有效= 2πfN?m=4.44×fN?m。

從E有效公式可以看出，當(dāng)線圈匝數(shù)恒定時(shí)，輸入信號(hào)頻率f與電動(dòng)勢(shì)有效值成正比。

因此根據(jù)錳芯磁環(huán)的大小，用漆包線在其上繞制線圈自制了一個(gè)匝數(shù)為1900、電感量約為307.4mH、電阻值為45Ω的電磁感應(yīng)探頭，用以檢測(cè)電流信號(hào)。經(jīng)電感表測(cè)試發(fā)現(xiàn)，線圈繞制匝數(shù)越多，電感量越大，電阻值也越大，感應(yīng)也越靈敏，但是電感量越大，引入的干擾反而會(huì)越多。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 功率放大電路的設(shè)計(jì)

TDA2040作為功放芯片，其輸出功率最大可以達(dá)到22W（RL=4Ω），可以通過(guò)調(diào)節(jié)R6來(lái)改變放大倍數(shù)。本電路采用單電源+18V供電模式，具體電路如圖2所示。

3.2 電壓放大及濾波電路的設(shè)計(jì)

電壓放大及濾波電路如圖3所示。

圖2 功率放大電路

圖3 電壓放大及濾波電路

該電路由兩級(jí)構(gòu)成，第一級(jí)為電壓分檔放大電路，第二級(jí)為濾波電路。

當(dāng)輸入交流信號(hào)峰峰值在0.1V～1V之間時(shí)，電磁感應(yīng)探頭探測(cè)到信號(hào)幅度??；峰峰值在1V～10V之間時(shí)，信號(hào)幅度大。因此對(duì)這兩段輸入信號(hào)進(jìn)行分檔放大。故設(shè)計(jì)反相比例放大電路［1］，取小信號(hào)時(shí)電路放大倍數(shù)為-100倍，大信號(hào)時(shí)電路放大倍數(shù)為-15倍。因此輸入電阻R1=5.1K，反饋電阻R3=75K，R4=510K，平衡電阻R2=5.1K。

經(jīng)過(guò)探頭感應(yīng)及分檔放大后的信號(hào)，都有高頻的干擾信號(hào)夾雜其中，因此，在放大電路之后加一級(jí)有源反相低通濾波器［2］。經(jīng)過(guò)電路實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，設(shè)定低通濾波器的截止頻率為50Hz，可以抑制頻率較高時(shí)的輸出增益，保證當(dāng)輸入正弦波幅度一定時(shí)（100mV≤Vpp≤10V），不論如何改變輸入信號(hào)頻率（50Hz≤f≤1KHz），都可以保證輸出幅度恒定。故取電容C1=0.5uF。又根據(jù)6.3K，取反饋電阻為R8=2K的固定電阻和R9=50K的滑動(dòng)變阻器構(gòu)成。該級(jí)濾波電路同時(shí)具有放大作用，可以使前級(jí)信號(hào)進(jìn)一步放大，設(shè)定放大倍數(shù)在1～25倍之間，取R5=300Ω的固定電阻和R6=2K的滑動(dòng)變阻器構(gòu)成。

電源采用±10V供電，在正負(fù)電源端分別接10uF/25V電解電容和104的瓷片電容各一只進(jìn)行退耦。

3.3 有效值電路的設(shè)計(jì)

有效值電路如圖4所示。

圖4 有效值電路

該電路是由兩部分組成，U3A構(gòu)成半波整流電路，U3B構(gòu)成一階低通濾波電路[2]。有效值電路是將交流信號(hào)經(jīng)整流濾波后，把交流電壓按比例變成直流電壓，在數(shù)值上等于交流電壓的有效值。當(dāng)輸入交流信號(hào)UO2＞0，UO3＜0，則D2截止，D1導(dǎo)通，UO4=-（R2/R1）*UO2；當(dāng) UO2＜0，UO3＞0，則 D2 導(dǎo)通，D1截止，UO4=0。因此在UO4處，得到與輸入成比例的半波整流波形。后UO4經(jīng)U3B低通濾波器，將半波波形濾波為平滑的直流電，通過(guò)RP滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)，UO5其值大小等于輸入交流電壓UO2的有效值。

輸出電壓UO5即整流平均輸出電壓，為電阻性負(fù)載時(shí)的電壓，即輸出端接電阻元件時(shí)，在電阻元件上測(cè)到的電壓，數(shù)值大小應(yīng)為輸入交流電壓UO2有效值的0.45倍，即 2/π倍。

第一級(jí)運(yùn)放的輸入U(xiǎn)O2與輸出UO3的關(guān)系（有效值）

第二級(jí)運(yùn)放的輸入U(xiǎn)O3與輸出UO4關(guān)系（有效值）

其他關(guān)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為電路最大工作周期；trr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間；fc為輸入信號(hào)最高頻率。

具體參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1）選擇C、R5、R4

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

R4=R5/2.22=220/2.22=99.1K，取R4由固定電阻R=51K和滑動(dòng)變阻器RP（100K）串聯(lián)組成。

（2）選擇D1、D2

0.01/fc=0.01/(1×103)=10us，故 D1、D2選擇1N4148 高速開(kāi)關(guān)二極管，其 trr＜4ns，則滿(mǎn)足 trr＜0.01/fc要求。

（3）選擇R1、R2、R3、R6

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

3.4 頻率檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

頻率檢測(cè)電路如圖5所示：

圖5 頻率檢測(cè)電路

頻率檢測(cè)電路是由過(guò)零電壓比較器組成，采用雙電源±10V供電。輸入放大濾波后的感應(yīng)正弦波信號(hào)，當(dāng)其值大于0V，輸出高電平；反之輸出低電平，得到一個(gè)峰峰值為18V左右的方波信號(hào)。該方波信號(hào)幅度大于單片機(jī)可以處理的5V信號(hào)的范圍，故在送入單片機(jī)前需加入信號(hào)處理電路，將輸出方波信號(hào)幅度控制在5V以?xún)?nèi)。D1取1N4148二極管，分壓電阻取R1=4.7K，R2=5.1K。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序主要通過(guò)按鍵進(jìn)行檔位選擇，確定測(cè)量的交流電流信號(hào)的放大檔位，單片機(jī)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)再做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)液晶屏對(duì)實(shí)時(shí)采集的頻率值和電流值信息進(jìn)行顯示［3］。程序流程圖如圖6所示。

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試儀器及方案

5.1.1 測(cè)試儀器

數(shù)字雙蹤示波器，直流穩(wěn)壓源，開(kāi)關(guān)電源，信號(hào)發(fā)生器，4位半數(shù)字萬(wàn)用表。

圖6 程序流程圖

5.1.2 測(cè)試方案

（1）先用萬(wàn)用表檢查電路各點(diǎn)連接，再將直流穩(wěn)壓電源調(diào)好+18V電壓后，接入功率放大電路的正負(fù)電源端，再打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器，調(diào)節(jié)輸出峰峰值為10V、頻率為1K的正弦波信號(hào)接入功放電路的輸入端，用雙蹤示波器探頭，一蹤看信號(hào)源的信號(hào)，另一蹤看10Ω負(fù)載電阻兩端的波形，這兩個(gè)信號(hào)幅度應(yīng)該是相同的。如果負(fù)載兩端信號(hào)峰峰值沒(méi)有10V，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)功放電路輸入端的503滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出±10V電壓，接入電流檢測(cè)電路中，將負(fù)載端的導(dǎo)線穿過(guò)電流感應(yīng)線圈，固定信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)的幅度而改變頻率（50Hz～1KHz），通過(guò)電流檢測(cè)處理電路后，利用單片機(jī)測(cè)試經(jīng)負(fù)載流過(guò)的電流信號(hào)，用LCD12864來(lái)顯示對(duì)應(yīng)峰峰值和頻率。

5.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）以自制電磁傳感器檢測(cè)電流信號(hào)的峰峰值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

（2）以自制電磁傳感器檢測(cè)電流信號(hào)的頻率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

（3）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)為1KHz、電壓峰峰值為10V正弦波送到功率放大電路的Ui端，用示波器測(cè)試負(fù)載10Ω兩端輸出波形，如圖7所示。

再用示波器測(cè)試頻率檢測(cè)電路輸出端UO6波形，如圖8所示。

6 結(jié)論

由表1和表2可知，通過(guò)單片機(jī)多次調(diào)試，測(cè)量的電流檢測(cè)信號(hào)的峰峰值誤差＜5%，頻率誤差≤1%。此設(shè)計(jì)通過(guò)非接觸式傳感的電流檢測(cè)電路，能將電磁感應(yīng)線圈感應(yīng)的環(huán)路電流信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，通過(guò)單片機(jī)的控制及處理，在12864的液晶屏上實(shí)時(shí)顯示電流的峰峰值和頻率。

表1 電流峰峰值測(cè)速數(shù)據(jù)

表2 電流頻率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 負(fù)載10Ω兩端輸出波形

圖8 頻率檢測(cè)電路輸出端UO6波形

在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一些控制信號(hào)也是來(lái)自交流信號(hào)，需要檢測(cè)，但交流檢測(cè)往往存在兩個(gè)最明顯的困難：一是交流電流表不便串入電路中；二是檢測(cè)電路與被測(cè)電路不能直接耦合，否則就會(huì)影響被測(cè)電路的直流工作點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)的非接觸式交流電流檢測(cè)方法，就為此提供了有效的途徑，也可以作為檢查電力系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障診斷的重要手段。