山东省一等奖_A题_青岛理工大学_孟凡腾刘鹏昀李昭颖

李剑飞

摘要

本系统以ARM Cortex-M3微控制器作为电路控制和数据处理的核心，设计并实现了一种采用非接触式传感的电流信号检测装置。采用功放芯片LM1875T设计了一功率放大电路，实现了对任意波信号发生器产生信号的无失真放大，用漆包线在锰芯磁环上绕制线圈，制作电流传感器获取到了环路电流信号，并通过电压跟随器以及AGC自动增益控制器后输入单片机检测出环路电流信号的幅度及频率，借助单片机的复杂逻辑控制能力，实现测量量程的自动切换以及信号参数的实时显示。经过严格的理论分析计算与反复的测试，本设计性能稳定可靠，能够实现题目所规定的各项指标要求，且测量精度完全符合题目要求，很好的实现了通过非接触式来测量电流信号参数。

关键字：非接触式传感   电流检测    Cortex   电压跟随器   AGC   

1        系统方案
1.1        方案描述
本系统硬件主要由MCU微控制器模块、功率放大电路模块、电流传感器模块、信号采集处理模块及显示模块组成。STM32F103作为系统的控制核心。同时本系统功率放大电路部分采用了LM1875功率放大集成块，将任意波信号发生器产生信号的无失真放大后，通过导线连接10Ω电阻负载，形成一电流回路，用漆包线在锰芯磁环上绕制线圈，并将被测电流回路的导线从磁环中穿过构成电流传感器模块。在电流传感器线圈的两端加上1kΩ的采样电阻，并通过OPA842电压跟随器和AD603自动增益控制器使信号频率稳定可测，经多路多级仪表放大器及电压跟随器使电流峰峰值稳定可测，通过单片机多通道ADC采集处理后控制显示模块将测量数据实时显示。

图1 系统框图

1.2        比较与选择        
1.2.1        主控芯片
方案一：采用STC89C52RC单片机作为主控芯片，STC89C52RC具有8K字节系统可编程Flash存储器，使用经典的MCS-51 内核，具有在系统可编程（ISP）特性。但主频低，外设少，运行速度较慢，不适合快速处理大量数据且功耗较高。
方案二：采用STM32F103微控制器，该芯片是一款低功耗、高性能的32位Cortex-M3 ARM微控制器，最高72MHz工作频率，自身具有2个12位的模数转换器，1us转换时间，3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获的通道，可以满足赛题测量幅度及频率的要求，且32位的控制器，在数据运算方面有着优异的性能。
根据实用、高效、低耗的原则，综合比较以上两种方案，选择方案二。

1.2.2        功率放大电路
方案一：采用TDA2030A音频功放电路作为功率放大电路，TDA2030A在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。其外接元件少，但所选原件必须是品质有保障的元件，且设计印刷电路板时考虑到输出线路有大电流通过，必须较好的考虑地线与输出的去耦。
方案二：采用LM1875设计功率放大电路，LM1875体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路电压范围为16～60V，在±25V电源电压RL=4Ω时可获得20W的输出功率。不失真功率为20W（THD=0.08%），THD=1%时，功率可达40W。
由于LM1875功率较TDA2030及TDA2009都为大，且外接元件非常少，设计简单。1kHz，20W时失真仅为0.015%，考虑到功率放大电路需要较大的功率以及较低的失真度，综合比较以上两种方案，选择方案二。

2        理论分析与计算
2.1        电流测量方法
由于待测电流 是交流电，设锰锌磁环的半径为R，缠绕锰锌磁环的线圈在锰锌上围绕的面积为S，根据安培环路定理：



即

可得到直导线周围磁感应强度



又因为穿过线圈的磁通量 Φ = BS，根据法拉第电磁感应定律可以知道，电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比，若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为：
                                  式中，n为线圈匝数。
根据以上推导可得

通过测试若干组数据，得出I2与I1的关系，即可求出被测电流大小。

2.2        谐波分量测量方法
借助STM32F103单片机内部ADC将电流信号采集并转换为数字信号，将获取到的数字信号采用快速傅里叶变换算法进行运算，并借助单片机高速数据运算能力，得到信号的基波和各次谐波分量的频率和幅值，然后根据对大量实验数据分析得到的感应电流信号与被测电流信号的关系，得到被测电流信号基波及各次谐波分量的频率和幅度关系。

3        电路与程序设计
3.1        电路设计
本系统电路主要由功率放大电路及电流分析检测电路组成，功率放大电路将任意波信号发生器产生的信号进行电流放大，通过导线连接10Ω电阻负载，形成一电流环路，电流分析检测电路通过电压跟随器模块和自动增益控制模块将电流传感器上采集到的电流信号进行处理，并发送给单片机完成信号参数的测量。
3.1.1        功率放大电路

图2 LM1875功率放大电路

3.1.2        电流分析检测电路

  
图3 OPA842电压跟随器   

图 4 TLV3501 电压比较器
                           
3.2        程序设计
3.2.1        主程序设计


图5 主程序流程图

4        测试方案与测试结果
4.1        测试结果与分析
在测试功率放大电路时，正弦信号频率选取50HZ,500HZ,1Khz,幅度峰峰值选取了10VPP，12VPP，15VPP进行测试制表，由表2可看出流经10Ω负载电阻的电流峰峰值均不小于1A，并且电流无失真，完全符合要求。在设计电流信号检测分析电路时，正弦信号频率选取50HZ,300HZ,600HZ,1KHZ，幅度选取10VPP，11VPP,12VPP，13VPP进行测试制表，测试所得频率和峰峰值，由表3可得出设计完全符合要求。将正弦电流峰峰值设置为10ma,50ma,300ma,1A，频率设置同上，进行测试结果制表，测试所得频率和峰峰值由表4可得出基本符合题意。在测试非正弦信号时，频率选取50HZ，100HZ,200HZ,幅值选取5VPP,10VPP,12VPP进行测试制表，测量数据由表5可得设计基本符合要求。

5        总结
由以上实验数据得，针对此题所做出的设计较好地符合题目所有的要求。本设计通过LM1875功率放大器形成无失真且峰峰值不小于1A的电流信号，经过电压跟随器和AD603自动增益系统达到频率可测的效果；经多路多级运算放大器，电压跟随器及多通道ADC采样达到电流峰峰值可测的效果，最终将电流的频率及峰峰值显示出到屏幕上。当信号换成非正弦信号时，经过硬件电路滤波及FFT快速傅里叶变换使得基波和各次谐波的频率及幅值可测并显示到屏幕上，完成了非正弦电流信号的测试。
实物图片