張銘朗 郭昭利 袁申 何英昊 姜紹君?

摘 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，小信號在電路中的使用愈加廣泛，在實際應(yīng)用中對于小電流信號的采集和監(jiān)控越來越重要。因此電路中的電流需要能夠被簡單、方便、準(zhǔn)確、實時地測量。文中設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于單片機(jī)的電流檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用功率放大電路及單片機(jī)完成信號的放大及測量。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)的電流測量精度優(yōu)于5%，頻率測量精度優(yōu)于1%。

關(guān)鍵詞：電流測量;放大電路;STC單片機(jī);TDA2030;頻率測量;信號采集

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，小信號在電路中的使用愈加廣泛，實際應(yīng)用中對于小電流信號的采集和監(jiān)控也越來越重要。在電路中，通過對電流信號的檢測可以在第一時間掌握電路系統(tǒng)或設(shè)備的實際運行情況，若出現(xiàn)問題，及時處理。同時，也可通過對電路中電流的檢測了解和分析用戶對設(shè)備的使用情況。事實上，電流檢測系統(tǒng)可以應(yīng)用在很多電子設(shè)備上，比如智能化家居產(chǎn)品，通信電源等。

小信號檢測技術(shù)及裝置雖然已是一種相對比較成熟的技術(shù)，但就檢測技術(shù)和裝置本身而言仍有很大的發(fā)展空間。本系統(tǒng)利用STC15系列單片機(jī)和功率放大電路等模塊，在實現(xiàn)檢測電流大小目標(biāo)的同時還可以放大該電流[1]。

1 設(shè)計方案

圖1所示為本系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖。結(jié)合實際需求，該系統(tǒng)由以單片機(jī)為核心的主控模塊和功率放大模塊、顯示模塊及測幅測頻模塊等構(gòu)成。主控部分接收、處理由測幅模塊提供的數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果通過顯示模塊呈現(xiàn)，保證使用者可隨時查看系統(tǒng)電流的大小。

1.1 主控模塊

主控模塊使用貼片式增強(qiáng)型STC15系列單片機(jī)，具有功耗低、內(nèi)部自帶高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，寬電壓和價格低廉等優(yōu)點。

1.2 功率放大電路

功率放大的主要作用是對設(shè)備采集的微小電流信號進(jìn)行放大。攻率放大模塊是基于TDA2030的功率放大模塊，性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音箱等設(shè)備。該模塊具有體積小、輸出功率大、失真小等特點，由電容、電阻、TDA2030芯片和其外圍電路組成。功率放大電路原理如圖2所示。

1.3 測幅和測頻電路

系統(tǒng)使用測頻電路和測幅電路來準(zhǔn)確測量電路電流的頻率和幅度。測頻電路由電壓比較器構(gòu)成（文中采用LM393作為電壓比較器芯片）。測幅電路選用半波整流電路。由于二極管存在壓降以及線圈測量信號較小等問題，故決定采用運算放大器擴(kuò)大其信號倍數(shù)，在加法器輸入端加上二極管的反向壓降，以測量輸入到系統(tǒng)中的小幅電流，之后再加上外圍電路組成測頻電路和測幅電路，原理如圖3所示。

1.4 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊由于同時具備自發(fā)光、無需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是下一代平面顯示器的新興應(yīng)用技術(shù)，分辨率比較高，可顯示漢字。我們使用OLED顯示屏的SPI串口模式顯示被測數(shù)據(jù)。單片機(jī)處理由測量端傳來的微小電流，通過SPI總線將二進(jìn)制數(shù)組傳輸?shù)絆LED液晶顯示屏，顯示屏上可標(biāo)注對應(yīng)的端口。在OLED上對被測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)刷新，讓使用者可以清晰觀察到電路中電流的數(shù)據(jù)變化[2-3]。OLED顯示模塊原理如圖4所示。

2 軟件設(shè)計流程

該系統(tǒng)采用模塊化思想，使用C51語言在Keil5環(huán)境下完成。圖5所示為系統(tǒng)流程圖。從圖中可知，程序初始化后調(diào)用STC15集成在單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，并將其初始化，同時初始化OLED液晶顯示屏，在主函數(shù)中檢測電路中傳來的電流模擬信號，通過I/O口傳送給單片機(jī)，與此同時，模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊把信號的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過算法將實際電流計算出來，再通過I/O口將數(shù)據(jù)傳送給OLED液晶顯示屏，由OLED顯示屏將實際電路中的電流準(zhǔn)確地顯示在屏幕上[4-6]。

3 結(jié) 語

文中設(shè)計了一款基于單片機(jī)的電流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過功率放大模塊、測頻測幅電路和OLED顯示模塊完成小信號的檢測、放大以及OLED顯示，使用C語言實現(xiàn)了程序的編寫。經(jīng)過多次實驗，表明該系統(tǒng)能夠精確及穩(wěn)定地顯示電路中當(dāng)前時間的電流強(qiáng)度，與其他電路組合，則可變?yōu)橐粋€較為完善的電流檢測系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[2]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[3]王魯云，于海霞.模擬電路原理設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]李嘉鴻，白茹，朱華晨，等.智能巨磁阻直流電流傳感器設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（5）：22-25.

[5]曹衛(wèi).基于MSP430單片機(jī)的智能多功能電流測試儀[J].自動化與儀表，2008（5）：14-16.

[6]李珂珂，李偉，趙華穎.基于C8051單片機(jī)的微弱信號檢測裝置的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2013，26（10）：124-125.

[7]蔣興東，曾水平.基于MSP430單片機(jī)的電導(dǎo)率檢測裝置的設(shè)計[J].信息技術(shù)，2009（4）：41-43.

[8]韓岱洪.基于STM32單片機(jī)的電流信號檢測裝置設(shè)計[J].科技與信息，2018（8）：113.

[9]袁康敏.基于單片機(jī)的電流互感器性能測試儀[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（7）：117-118.

[10]季奧穎，陳進(jìn)軍，季曉文，等.大電流電路在電纜故障測試中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2014（11）：77-78.