基于单片机的电流信号非接触检测系统设计

秦晨晨　王陈宁

摘 要：本设计为电流信号检测，主要由电源供电电路、功率放大电路、非接触式电流检测电路、峰值保持电路以及单片机采样电路构成。该系统可实现电流信号非接触和无失真检测，对于正弦信号可测量其峰峰值和频率，对于非正弦信号可测量其基波和各次谐波的频率与幅度，所测值均可在OLED屏上显示出来。系统频率测量范围为50-1000Hz，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。

关键词：信号检测;非接触式电流传感器;AD转换;快速傅里叶变换

1 绪论

电流信号检测可分为接触式电流检测和非接触式电流检测，国内外对于接触式电流检测技术现在已经比较成熟，而非接触式电流检测领域有很多有待进一步提高，如精度不高，工艺复杂，价格昂贵等。文中提出一种简易有效、成本低廉、精度高的非接触式电流检测系统，该系统采用漆包线绕制线圈自制电流传感器，无需特殊磁芯材料，减少了对待测电流频率范围造成的限制，避免了磁滞现象，同时利用电磁感应原理制作的非接触式电流信号传感器，有效避免了对待测电路产生影响。该系统的设计可满足工业生产中对非接触测量的要求，提高了设备的性能以及可为科研领域提供精确的可供参考数据。

2 系统总体方案设计

系统框图如图1所示。电流信号经过电流传感器检测出来，因为电流信号不能直接被控制器识别，需要通过电流电压转换电路将电流信号转换成对应的电压信号，电压信号通过采样保持电路送到单片机，采样电压通过快速傅里叶变换算法（FFT）得出待测基波及各次谐波分量的幅度，测量结果通过OLED显示屏显示出来。

3 系统硬件设计

3.1 控制器选择

本系统选取了增强型的STM32微控制器。该微控制器是由意法半导体集团生产的一款Cortex-M4内核的32位微控制器。其Flash的大小为512K字节、其RAM的大小为196K字节、具有硬件看门狗、具有多向量中断结构、具有多个定时计数器、多个串行通信口、24个12位ADC通道。该单片机支持最高运作频率为168MHz，自带的A/D转换器，可满足采样信号为模拟电流信号的要求，STM32微控制器内部可以进行谐波分析。

3.2 传感器电路

获取电流信号，非接触式电流传感器采用漆包线绕制而成，有效避免了测量电路接入待测电路产生的响，非接触式电流传感器示意图如图2所示。非接触式电路输入端与输出端的匝数比N1：N2=1：200，线圈内径约为15mm，外径约为20mm，漆包线直径0.1mm。

3.3 电流信号检测分析电路设计

电流检测系统采用STM32单片机直接进行A/D采样，优点是STM32单片机自带A/D和D/A等功能，系统结构简单，使用方便，可以直接采样，且能够进行8192点FFT处理，扩展SRAM后可满足65536点FFT运算。TM32最大ADC频率可以达到2.2MHz，但是精度不能满足要求，所以在满足精度的条件下可以适当降低采样频率，最后采样频率选择100kHlz。为提高精度，对多次测量结果取平均值。其非接触式电流信号检测分析电路设计如下图3所示：

4 系统软件设计

4.1 FFT算法原理

FFT是离散博里叶变换（DFT）的快速算法，改进的FFT算法使复杂度由原来的N2次运算变为N*logN次运算，大幅提高了运算过程减少了运算量。快速傅氏变换根据离散傅氏变换的奇偶虚实等特性，利用对称性，不断地进行一分为二的方法，接近极限时，即分成两两一组的DFT运算单元，算法复杂度优化为O（N*logN）级别，以此极大缩小计算机的运行时间。二分法算法如下：

4.2 FFT程序实现

由于FFT微处理器使用机器语言，机器语言通过补码完成操作，输出的数据也为补码，我们需通过补码原码的关系用程序来得到我们想要的结果。当输出为正数时，补码和原码相等，输出为负数时，补码最高位不变其余各位取反加一即为原码，我们也是通过最高位数据判断正负数，最高位为1即为负数，为零即为正数。通过以上操作后即可得到数据真值。程序框图如图4所示。

5 实物测试结果分析

在搭建系统前，先调试单个模块工作是否正常，在所有模块都能达到要求后，开始搭建系统，将功率放大电路，非接触式电流传感器和单片机检测电路固定在PCB板上，将连线接好固定，连接开关电源和信号发生器，对系统各项指标依次进行测试。系统实物如图5所示：

下表为输入信号为正弦波时的测试数据，数据均为五次测量所取得平均值。

6 小结

本非接触检测系统避免了检测电路和待测电路之间的相互影响，可实现电流信号无失真检测，针对正弦信号可测量其峰峰值和频率并可显示出来，对于非正弦信号可测量其基波和各次谐波的频率与幅度，电流测量精度可达5%，频率测量精度优于1%。本系统在现阶段电流信号检测的基础上，加入了非接触式检测进一步增强了电流信号检测系统的适用性，提高了电流检测精度，降低了复杂的工艺要求，较少了系统制作成本，具有极大的实际应用前景。

参考文献：

[1]朱凌.非接触式电流测量传感理论研究与实践[D].上海交通大学.

[2]陈炫均.基于Arm Cortex-m3+的快速傅里叶变换实现[J].日用电器，2017（7）：98-102.

[3]史振江.基于stm32单片机的公寓安全控制系统设计与实现[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2017，16（3）：58-62.

[4]刘虹，李昱坤，刘彦军.基于STM32的电流信号谐波分量检测系统的设计[J].厦门理工学院学报，2018，26（05）：31-36.

[5]侯永春，高红卫.基于单片机的简易频谱分析系统的设计[J].宝鸡文理学院学报：自然科学版，2014（2）：70-73.

[6]周小丽.基于单片机的快速傅里叶算法实现[J].电子技术与软件工程，2015（2）：263.

[7]陈璐，刘卫玲，常晓明.基于霍尔传感器HW-302的非接触式电流波形检测系统[J].电子测量技术，2015，38（5）：89-92.

[8]李刚，邢佳.一种非接触式高精度AC电流检测系统的设计[J].现代科学仪器，2010（1）：43-46.

[9]杨丽娟，张白桦，叶旭桢.快速傅里叶变换FFT及其应用[J].光电工程，2004，31（z1）.

[10]邹江锋，刘涤尘，谭子求.基于FFT算法的分次諧波测量与分析[J].高电压技术，2003，29（9）.