基于STM32单片机设计的非接触式电流检测控制系统

黄冬梅 王树鑫

摘 要：本系统基于STM32单片机设计的非接触式电流检测控制系统，通过OPA548片将所给任意信号放大，由100 Ω电阻和INA128芯片进行电流电压转换放大后，利用STM32单片机对获取的电压信号以0.488 μs频率采样，利用STM32单片机的FFT库，获得信号的谐波信息。测量电流信号精准，该设计可广泛应用在以STM32单片机为核心控制器件的新型仪表中，性能精准且抗干扰能力强。

关键词：STM32；OPA548；自动增益控制

本系统设计采用OPA548对信号源进行功放，流过10 Ω负载电阻的电流峰峰值至少在1 A以上，利用霍尔效应制成的线圈检测电流信号，经100 Ω电阻转换为电压信号；利用INA128芯片将获得的电压信号进行第一次放大，STM32单片机控制继电器使第二次不同的放大倍数的电路导通，测量其峰峰值电压；并对获取的电压信号进行快速傅里叶变换，找到频率在1 kHz以下的谐波分量，单片机显示测得的峰峰值、频率和谐波频率[1]。

1 系统设计方案

1.1 功率放大芯片

OPA548是一种低成本、高电压、高电流的放大器，适用于各种负载的驱动，可提供优异的性能低电平信号精度和高输出电压和电流，且具有设计灵活、有过温和过流保护特点，能提供精确的用户设定的电流上限。

1.2 继电器开关控制不同增益电路

采用多个运算放大器搭建有不同增益的放大电路，并在每个电路后串联一个继电器用于控制电路通断，继电器用前加一级反相器的高耐压驱动管ULN2803控制其通断。

1.3 频率测量方案

利用STM32的FFT算法测量基波频率，可降低编程的难度。利用ADC采样之后将连续信号转变为离散信号，将所得离散信号经FFT变换至频域，获得信号频率[2]。

2 电路设计

2.1 系统的原理结构

系统的原理结构如图1所示。

2.2 功率放大电路

采用OPA548芯片作为功率放大的核心芯片，调整电阻阻值使电路电流从10 mA放大至1 A，且在电路中增加去耦电容保证放大效果，具体电路如图2所示。

2.3 电流转换放大电路

由于系统感应线圈中得到的是电流信号，需用100 Ω电阻将感应线圈获得的电流信号转换為电压信号。在此，先进行一次放大使单片机初步获得电压范围，具体电路如图3所示。

第二次放大的选通开关为继电器，采用与第一次放大相似的电路，8.5倍放大电路[3]。

由于STM32获取0～3 V的信号，需加直流偏移电路和加法器电路。

2.4 STM32单片机控制电路

STM32单片机通过驱动门控制继电器通断，由于单片机输出口带负载能力有限，故在驱动门前再加一级反相器提高带负载能力[4]。

2.4.1 单片机外围器件选择

（1）开关芯片采用八路NPN达林顿连接晶体管阵系列的ULN2803。

（2）运算放大器核心芯片选择INA128，稳定性强，外部电简单。

2.4.2 程序功能的实现

（1）AD电压采集：用STM32内置的ADC模块，对信号通道Tix得到的电压信号进行模数转换。

（2）电流幅值、频率的捕获及算法：用STM32的FFT算法对获得的数字信号进行快速傅里叶变换，得到需要的基波和谐波频率及幅值。

（3）显示部分：将获取的动态数据延时显示方便观察。

3 测试方案与测试结果

3.1 测试方案

（1）电流幅值的测试：信号发生器产生50～1 000 Hz正弦波，分别取频率50 Hz、100 Hz、300 Hz、500 Hz、800 Hz、1 kHz，在输出端检测输出峰峰值，计算相对误差。

（2）电流频率的测试：使信号发生器输出幅值固定的正弦波，频率分别取50 Hz、100 Hz、200 Hz……，每隔100 Hz取一测试点直到1 kHz，在输出端检测输出频率，计算相对误差。

（3）基波频率的测试：使信号发生器产生频率为50～ 1 000 Hz的脉冲波，幅值分别取0.1 V、5 V、10 V，在输出点检测输出频率，计算相对误差。

（4）幅度的测试：使信号发生器产生频率为50～1 000 Hz的脉冲波，幅值分别取0.1 V、5 V、10 V，在输出点检测输出频率，计算相对误差。

3.2 测试结果

（1）被测正弦电流峰峰值范围为10 mA～1 A，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。

（2）任意波信号发生器输出非正弦信号时，基波频率范围为50～200 Hz，电流信号基波频率测量精度优于1%。

（3）各次谐波分量的幅度测量精度优于5%。

4 结语

由以上测试数据分析，该系统以STM32单片机为主控器件的新型仪表，采用OPA548作为放大器，能够精确地检测到电流的幅度、频率等信息，具备操作简单、功能完善、便于携带等特点，适合广泛应用于自动化仪表中。

[参考文献]

[1]德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划.德州仪器高性能模拟器件高校应用指南—信号链与电源[M].上海：德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划，2014：120-132.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]彭军.运算放大器及其应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.2015年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2016.