電子信息工程專業(yè) 一種電流信號檢測裝置的設(shè)計(jì)

《電子信息工程專業(yè) 一種電流信號檢測裝置的設(shè)計(jì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電子信息工程專業(yè) 一種電流信號檢測裝置的設(shè)計(jì)（26頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 論文（設(shè)計(jì)）題目： 一種電流信號的檢測裝置的設(shè)計(jì) 目 錄 1 前言 1 1.1 研究背景 1 1.2 電流信號檢測方法 1 2 設(shè)計(jì)方案選擇及論證 2 2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)目標(biāo) 2 2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路 2 2.3系統(tǒng)關(guān)鍵電路方案設(shè)計(jì) 3 2.4 主要元器件介紹 3 3 硬件電路設(shè)計(jì) 4 3.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 4 3.2 單片機(jī)控制電路 6 3.3 TDA2030功率放大電路 7 3.4 電流信號檢測電路 8 3.5 顯示模塊 9 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 9 4.1 編譯語言選擇 9 4.2 主程序流程設(shè)計(jì) 10

2、 4.3 液晶顯示子程序設(shè)計(jì) 11 5 系統(tǒng)調(diào)試 12 5.1 軟件的實(shí)現(xiàn) 12 5.2 系統(tǒng)測試及結(jié)果 14 6 總結(jié)及展望 19 參考文獻(xiàn) 20 致 謝 22 廣西師范大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))學(xué)生誠信保證書 23 一種電流信號的檢測裝置的設(shè)計(jì) 專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號：201513007617 學(xué)生姓名：鄧致文 指導(dǎo)老師：岑明燦 【內(nèi)容摘要】電流信號作為電路中的重要指標(biāo)，關(guān)系到電路性能的穩(wěn)定發(fā)揮，因此其準(zhǔn)確檢測就顯得尤為重要。本文以STM32單片機(jī)為核心器件，TDA2030功率放大模塊、OPA336NA集成放大器等設(shè)計(jì)了一款電流信號檢測裝置。對

3、于電氣元件的正常運(yùn)行，系統(tǒng)集成電路功能的穩(wěn)定發(fā)揮及其重要，因此對于電流信號的檢測就顯得尤為關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種電流信號的檢測裝置，該裝置以STM32單片機(jī)為核心控制器件，由TDA2030功率放大電路以漆包線繞制的空芯線圈互感器獲取電流信號，通過運(yùn)算放大器放大，將數(shù)據(jù)反饋給STM32單片機(jī)。單片機(jī)接收信號之后，先進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后運(yùn)用改進(jìn)型的FFT算法處理，最后將檢測到的電流的幅度和頻率等信息通過液晶屏詳細(xì)地顯示出來，最終實(shí)現(xiàn)了檢測環(huán)路電流信號的功能。經(jīng)測試該裝置達(dá)到了很高的測量精度，能精準(zhǔn)測量電流信號。 【關(guān)鍵詞】電流；信號檢測；STM32；TDA203 1 1 前言 1.1

4、研究背景 隨著能源與環(huán)境保護(hù)問題的日益凸顯，新型能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源成為當(dāng)前社會面臨的重要問題。電力系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化發(fā)展成為能源革命的重要途徑。電力的傳輸控制需要通過檢測技術(shù)來進(jìn)行保護(hù)整定值的設(shè)定，以及控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。因此電力參數(shù)的檢測就顯得尤為重要。電流信號的檢測問題普遍的存在于強(qiáng)電和弱電環(huán)境中，對于弱電環(huán)境下微弱電流的檢測對于精度的要求更高。 從現(xiàn)階段的電流檢測技術(shù)來看，主要是通過電流互感器對電流信號進(jìn)行采集，但是比較主流的電磁感應(yīng)互感器存在磁芯飽和問題，另外，線性度和動(dòng)態(tài)范圍都存在一定的限制，難以滿足現(xiàn)階段對于電流信號檢測的要求。為了提高電流檢測的精度，目前普遍采用微處理進(jìn)行電

5、流信號的計(jì)算和控制[1]。一種方案是采用DSP技術(shù)，對信號進(jìn)行處理，另一種方案是采用單片機(jī)進(jìn)行電流信號的處理。 當(dāng)今，電流信號檢測技術(shù)已經(jīng)非常成熟。對著微電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為核心的電流檢測裝置開始被廣泛的應(yīng)用，帶來了電流檢測領(lǐng)域的技術(shù)變革。本文設(shè)計(jì)的電流信號檢測裝置采用STM32系列單片機(jī)作為核心控制部件，同時(shí)采用功率放大電路，通過互感器電流檢測構(gòu)成完成的檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注重采集檢測精度的提高，在生產(chǎn)過程中具有很好的適用性。 1.2 電流信號檢測方法 1.2.1諧波測量 采用傅里葉變換是現(xiàn)階段諧波測量的主要方法，將檢測到的信號通過時(shí)域進(jìn)行離散處理，然后通過傅里

6、葉展開，得到相應(yīng)的頻譜。然后根據(jù)頻譜特征將不同次的諧波進(jìn)行分類匯總，通過計(jì)算得出相應(yīng)參數(shù)。該方法主要采用的算法是FFT，可以快速的將信號變換到頻域[2]。 1.2.2電流測量 電流測量目前有兩種方式，一種是非接觸式測量，一種是接觸式的測量。接觸式測量通過將測量儀表串聯(lián)在電路中直接測量，非接觸是的測量是通過線圈感應(yīng)來測量電流信號。通常采用的方式是將電流線路穿過互感器，然后通過感應(yīng)獲取電流信號，獲取的模擬信號經(jīng)過變換后被處理設(shè)備所捕獲。電流信號通過放大和濾波輸入到單片機(jī)中，然后通過AD變換將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號?？梢宰鯢FT變化，得到1024個(gè)離散的采用數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算后得出相應(yīng)的頻率。 沒

7、有個(gè)采樣點(diǎn)都表示一個(gè)頻率，該數(shù)據(jù)就是相應(yīng)的頻率下的幅頻特性。其中某一采樣點(diǎn)的計(jì)算公式如下（1-1）所示。 Fn=（n-1）*Fs/N （1-1） 2 設(shè)計(jì)方案選擇及論證 2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)目標(biāo) 本設(shè)計(jì)是以電流信號檢測為目標(biāo)，旨在對任意波形的電流信息進(jìn)行高精度的檢測。電流信號通過發(fā)生器產(chǎn)生，然后經(jīng)功率放大電路放大，形成一個(gè)電氣回路。然后采用非接觸式的電流信號采用，將電流信號的幅值以及頻率檢測并顯示出來。主要性能要求如下： 當(dāng)輸入正弦信號頻率范圍為50HZ-1KHZ時(shí)，要求電流過10Ω負(fù)載電阻的電流峰值不小于1A，電流信號無失真

8、。 通過電流傳感器獲取電流采樣信號，為了保證電路的穩(wěn)定和，采用非接觸采樣。設(shè)計(jì)的電流信號檢測電流可以對電流的頻率和峰峰值進(jìn)行測量。 該系統(tǒng)可以對電流峰峰值在10mA以內(nèi)的電流進(jìn)行測量，其精度必須到達(dá)5%，頻率測量精度保證在1%之內(nèi)。 通過信號發(fā)生器產(chǎn)生電流信號，將基波頻率設(shè)施在50-200Hz，然后對電流信號進(jìn)行監(jiān)測，并對其高次諧波進(jìn)行測量，電流諧波測量頻率不超過1KHZ，測量精度優(yōu)于5%。 2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路 非接觸是的電流信號測量，一般信號都比較微弱，因此，為了對電流信號進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測，首先就需要對電流信號進(jìn)行放大處理。然后外接電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。但是電壓信號微弱

9、就容易受到其他信號的干擾。因此就需要對信號進(jìn)行多次的放大和濾波處理，然后得到滿足單片機(jī)輸入端的電壓信號。然后經(jīng)內(nèi)部AD變換處理[4]。單片機(jī)通過對電流信號的處理和計(jì)算，得出信號的頻率和幅值，然后輸出通過液晶顯示屏顯示。為了保證電路測量的精度和顯示便捷性，單片機(jī)選用STM32F103，液晶顯示選用TFT-LCD，并選用集成的功率放大器，提高測量和放大的精度。 2.3系統(tǒng)關(guān)鍵電路方案設(shè)計(jì) 2.3.1功率放大電路的選擇 方案一：采用普通的功率放大器設(shè)計(jì)。采用2個(gè)三極管，分別為NPN型和PNP型，然后將Q1的N極與Q2的P極串聯(lián)，然后共基極連接，組成乙類放大電路。該類型的放大電路的有點(diǎn)在于電路的

10、組成簡單，成本低廉，但是結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在工作的時(shí)候會產(chǎn)生嚴(yán)重的交越失真，因此電路發(fā)熱嚴(yán)重，容易燒損。 方案二：為了克服功率放大器產(chǎn)生交越失真對電路造成的不良影響，在電路的設(shè)計(jì)中采用電位器、運(yùn)放、二極管等元器件共同搭建功率放大電路。電路采用負(fù)反饋設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)電位器可以避免運(yùn)放間產(chǎn)生交越失真。由于運(yùn)放并聯(lián)電路不會呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，通過電位器的調(diào)節(jié)可以使得電路工作在對稱狀態(tài)下，另外還可以消除電流限號的沖擊。另外，考慮三極管的溫度特定，隨著電路工作溫度升高，三極管的放大倍數(shù)會不斷的增大，因此，采用負(fù)反饋設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)的消除輸入與輸出的偏差[5]。同時(shí)加入電容器，消除電路的自激振蕩。 通過以上兩種方案的優(yōu)

11、劣對比，以及本設(shè)計(jì)的性能要求，選擇方案二更能滿足本設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)采用TDA2030功率放大器作為方案二的核心元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.3.2電流采樣信號電路的選擇 本設(shè)計(jì)采用非接觸式采樣，通過電流互感器采集電流信號，然后通過電流采樣電流變換后送到單片機(jī)處理。 方案一：通過加法器和單相比較器來產(chǎn)生方波，由于電路組成簡單，會產(chǎn)生大量的高頻諧波，因此在輸入單片機(jī)前進(jìn)行電容濾波。 方案二：采用OPA336NA集成放大芯片及外圍處理電路對電流信號進(jìn)行采樣處理。然后將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。該芯片集成了多級運(yùn)算放大器，可以消除信號的干擾，輸入單片機(jī)的信號更加穩(wěn)定，并與單片機(jī)的輸入信號更加匹配[6]。

12、因此，電路工作更加穩(wěn)定。 綜合考慮電路的穩(wěn)定性和精度，采用方案二設(shè)計(jì)電路電流的信號采用。 2.4 主要元器件介紹 2.4.1STM32F103單片機(jī)簡介 STM系列單片機(jī)是一種嵌入式的單片機(jī)元件，最早有意大利公司推出，該型號的單片機(jī)是在ARM單片機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。由于單片機(jī)的特性決定了其使用場合以低功耗為主。STM32F103 單片機(jī)采用Cortex-M3 內(nèi)核，其內(nèi)部有多個(gè)寄存器和控制器，外部輸入信號12路，2個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，因此可以有效的節(jié)省CPU資源，其器件自身功耗更低，避免了元件的發(fā)熱。其信號的輸入頻率可以達(dá)到72MHz，存儲器0等待等特性。單片機(jī)可以更加電路的工作狀況自主選

13、擇休眠、停機(jī)和待機(jī)等模式。由此可以看出，STM32F103單片機(jī)具有強(qiáng)大的信號處理和計(jì)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的高速采用，高速運(yùn)算和輸出控制等功能。因此，本設(shè)計(jì)中選用STM32F103型號單片機(jī)。 2.4.2TDA2030A TDA2030A音頻功放電路，常采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。 表2-1

14、TDA2030A參數(shù) 參數(shù)名稱 極限值 極限值 電源電壓(Vs) 22 V 輸入電壓(Vin) Vs V 差分輸入電壓(Vdi) 15 V 峰值輸出電流(Io) 3.5 A 耗散功率(Ptot)(Vdi) 20 W 工作結(jié)溫(Tj) -40-+150 ℃ 存儲結(jié)溫(Tstg) -40-+150 ℃ 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 圖3-1為TDA2030A功放芯片及TL084運(yùn)放芯片與STM32單片機(jī)結(jié)合的方案。首先電流小信號經(jīng)過TDA2030構(gòu)成的功率放大電路放大將其功率放大，然后通過自制的電流互感器感以340:1 的電流比感

15、應(yīng)出小電流信號，此信號再由一片四運(yùn)放芯片TL084構(gòu)成四級放大電路，將其四通道輸出連接至STM32 的ADC1 的四個(gè)ADC通道采樣分析[7]。利用改進(jìn)型FFT 算法解析數(shù)據(jù)并繪制成波形顯示在液晶屏上。此方案中TDA2030 只需15V 雙電源供電，成本低低，并且其設(shè)計(jì)要求相對簡單；TL084性能一般且成本低，一片就能構(gòu)成四級放大電路。 圖3-1 系統(tǒng)原理模塊圖 如圖3-2所示，任意波形發(fā)生器輸出的波形經(jīng)過TDA2030A構(gòu)成的功率放大電路放大將其功率放大經(jīng)過10Ω電阻產(chǎn)生電壓信號，電壓信號通過電流互感器感應(yīng)并檢測處理電路，信號再由一片四運(yùn)放芯片TL084 構(gòu)成的四級放大電路，將其四通

16、道輸出連接至STM32 的ADC1 的四個(gè)ADC通道采樣分析[8]。利用改進(jìn)型FFT算法解析數(shù)據(jù)并繪制成波形顯示在液晶屏上。 圖3-2 系統(tǒng)整體框圖 在硬件電路中，信號通過功放放大，然后通過電流互感器感應(yīng)至運(yùn)放放大電路中進(jìn)行選擇性通道放大，然后由STM32 單片機(jī)采樣數(shù)據(jù)處理分析，單片機(jī)接收信號之后，先進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，然后運(yùn)用改進(jìn)型的FFT 算法處理[9]。最后將檢測到的電流的幅度和頻率等信息通過液晶屏詳細(xì)地顯示出來。硬件部分分為TDA2030 功率放大電路、電流信號檢測電路和單片機(jī)控制電路三個(gè)模塊。 3.2 單片機(jī)控制電路 本系統(tǒng)選用STM32F103R， 它是一款以ARM單片機(jī)

17、為基礎(chǔ)的微型控制器，其存貯容量大，內(nèi)置寄存器、AD轉(zhuǎn)換模塊、通信接口以及定時(shí)器等，可以滿足多種功能的電路計(jì)算，具有強(qiáng)大的控制功能，可以對電路的基本信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和控制。 單片機(jī)作為微型控制器主要是其具有強(qiáng)大的軟件性能，但是為了實(shí)現(xiàn)電路的功能，達(dá)到控制電路工作的目的，還需要配合其他外圍電路來實(shí)現(xiàn)。如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源模塊等。其中時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源模塊構(gòu)成了的單片機(jī)最小系統(tǒng)，單片機(jī)最小系統(tǒng)既可以正常運(yùn)行。然后配合輸出和輸出電路，就可以完成電路基本功能的實(shí)現(xiàn)[10]。 （1）時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是單片機(jī)工作的基本功能模塊，為電路提供時(shí)鐘信號，該模塊缺乏電路不能夠正常的工作。本

18、次設(shè)計(jì)中采用2個(gè)22pF電容和8MHZ石英晶振組成時(shí)鐘電路，然后直接連接刀單片機(jī)的時(shí)鐘信號輸入端口。通常單片機(jī)的18和19引腳是作為時(shí)鐘信號的輸入IO口。外接時(shí)鐘信號后，電路會查還是能脈沖信號，當(dāng)電路正常工作的時(shí)候，獲取時(shí)鐘信號。電路如圖3-3所示。 圖3-3時(shí)鐘電路 （2）復(fù)位電路 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)有多種思路，其設(shè)計(jì)理念的不同電路的組成方式也有所差異，但是其核心功能都是輸入信號讓電路回復(fù)最初的工作狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)中采用阻容電路進(jìn)行，電阻選用10k，電容選用0.1uf，然后將電阻一端與3.3V電源連接，電容一端直接接地。然后通過按鍵來實(shí)現(xiàn)高低電平的電壓信號輸入。當(dāng)按鍵按下后復(fù)位端信號

19、輸入為低電平，阻容電路的設(shè)計(jì)主要是為了避免由于短路將電源直接與單片機(jī)接通，從而燒壞電路。電路如3-4所示。 圖3-4 復(fù)位電路圖 3.3 TDA2030功率放大電路 如圖3-5 為功率放大模塊電路圖，功率放大模塊采用TDA2030A集成電路。TDA2030A集成模塊外接元件較少，接法簡單，價(jià)格實(shí)惠，采用較小型封裝，可提高組裝密度，開機(jī)沖擊小，允許單電源接法和雙電源接法，且集成電路輸出功率大，保護(hù)性能以較完善。 該模塊的電路設(shè)計(jì)以TDA2030A為核心器件進(jìn)行了外圍電路的設(shè)計(jì)，電路采用負(fù)反饋的設(shè)計(jì)。通過調(diào)節(jié)RV1進(jìn)行電路放大倍數(shù)的改變，通過二極管D2、D3的單相導(dǎo)通特性，以及電阻R5

20、構(gòu)成負(fù)反饋電路，將輸出信號的反饋至TDA2030的輸入端，與輸入信號進(jìn)行比較，以此來達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的功能。因此，該功率放大電路精度更高。 圖3-5 功率放大電路 3.4 電流信號檢測電路 如圖3-6所示為電流信號檢測模塊電路圖。采用線圈電流互感器感應(yīng)并檢測處理電壓信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號通過TL084芯片進(jìn)行多級的放大，然后輸入到單片機(jī)處理。該元器件為多級的放大電路，然后集成到一起保證了放大的精度，同時(shí)還避免了信號的干擾。它具有寬共模（Vcc+）及差模電壓范圍、高阻抗、頻率補(bǔ)償和電路的電流電壓保護(hù)等特性[11]。 該部分電流信號檢測電路有信號采集部分，電流電壓轉(zhuǎn)換部分組成。首先通過電流

21、互感器采集電流信號，然后通過電阻R6、R7進(jìn)行分壓后輸入到芯片OPA336NA中，R8、R9、R10及電容C9起到穩(wěn)壓作用。OPA336NA輸出信號通過R1、R2分壓后反饋到OPA336NA端，形成負(fù)反饋電路。通過C8穩(wěn)壓后輸出，然后輸入到單片機(jī)端。因此該電路可以消除信號的干擾，進(jìn)行電流信號的精準(zhǔn)采集。 圖3-6 電流信號檢測電路 3.5 顯示模塊 顯示模塊電路主要是以單片機(jī)的輸出接口到液晶顯示的電路，液晶顯示屏可以通過輸入端口的電壓信號來改變顯示的亮度。設(shè)計(jì)分壓電路將電源進(jìn)行分壓收輸入液晶顯示屏?？梢酝ㄟ^液晶顯示屏的7和14輸入管腳來控制顯示內(nèi)容，與單片機(jī)的P0.0-P0.7輸出端

22、口依次連接。單片機(jī)通過信號處理后將電流的頻率和幅值信息編碼后輸入到液晶顯示屏，顯示屏通過解碼后顯示信息。顯示模塊電路如圖3-7所示。 圖3-7 液晶顯示電路 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 編譯語言選擇 單片機(jī)作為微處理器其諸多功能可以通過編程來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)采用的編程語言包括C語言和匯編語言。匯編語言作為基礎(chǔ)語言，可讀性不高。C語言作為高級編譯語言，被廣泛的使用，作為高級編譯語言的一種，其可讀性非常強(qiáng)，編譯的過程具有較強(qiáng)的邏輯性，同時(shí)程序占用的資源少，執(zhí)行效率高。C語言具有較好的移植性，但是匯編語言由于CPU的不同不可移植。 C語言作為高級語言的一種，其具有高級編譯語言的特征，當(dāng)然也兼

23、容了匯編語言的所有的特點(diǎn)。其編譯的便捷性高，可以最語言進(jìn)行大幅度的精簡，從而提高運(yùn)行的效率。同時(shí)語法方面沒有嚴(yán)格的規(guī)則，對于初學(xué)者來講比較適用。基于以上分析本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行程序的編譯。 4.2 主程序流程設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)程度的設(shè)計(jì)是為了配合外圍的硬件電路實(shí)現(xiàn)電流信號的檢測，最主要的是實(shí)現(xiàn)電流信號的幅值和頻率的測量，然后通過輔助電路進(jìn)行顯示。軟件的編譯主要是提取電流信號，通過AD轉(zhuǎn)換和變換算法，在保證計(jì)算精度的前提下提高運(yùn)行的效率，并保證電路的穩(wěn)定性。電流的采用主要是通過電流電壓信號的轉(zhuǎn)換、信號的放大和傅里葉計(jì)算。檢測精度主要是通過對電流信號的周期脈沖進(jìn)行采用，然后同歸TFT函數(shù)計(jì)算，

24、進(jìn)行離散的變換處理，最終得到電流信號的頻率和峰峰值。其他功能模塊子程序設(shè)計(jì)較為常規(guī)，可以直接調(diào)用。 圖4-1 系統(tǒng)主程序流程圖 從圖4-1主程序流程圖可以看出，電路的主程序設(shè)計(jì)比較簡短主要是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，子程序的初始化。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，不同的功能模塊編譯了子程序，主程序通過調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)。由于采用的電流信號不能直接被單片機(jī)處理，因此將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過單片的AD轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過內(nèi)部中斷處理，算法變換得采集的輸出信號，包括電流的峰峰值和頻率。 4.3 液晶顯示子程序設(shè)計(jì) 顯示電流采用液晶顯示，通過程度的運(yùn)行可以將采集到的信號實(shí)時(shí)的分布，將當(dāng)前的電流信號幅值和

25、頻率顯示出來。具體實(shí)現(xiàn)如圖4-2所示。 圖4-2 顯示程序流程圖 5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1 軟件的實(shí)現(xiàn) 本次設(shè)計(jì)硬件方面采用性能優(yōu)異的STM32系列單片機(jī)和集成功率放大模塊，保證了采集電路的進(jìn)度。軟件方面采用C語言，通過Keil 2進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。該編程軟件使用方便，用戶可以直接在改系統(tǒng)上面搭建電路，然后將編譯好的程序燒錄到單片機(jī)中模擬運(yùn)行，檢查程序的錯(cuò)誤，編譯沒有問題后直接可以燒錄到單片機(jī)硬件中。 其功能特別強(qiáng)大，可以對多種形式的文件進(jìn)行編譯，另外，該軟件還自帶龐大的函數(shù)庫，使用者可以輕松的對程序進(jìn)行調(diào)試，極大的縮減了條件的時(shí)間，提供效率的同時(shí)代理了便利?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用K

26、eil 2進(jìn)行程序的編譯和調(diào)試，系統(tǒng)界面如圖5-1所示。 圖5-1 操作界面圖 該軟件操作方便，初學(xué)者可以通過簡單的學(xué)習(xí)即可掌握。軟件的使用主要是通過五個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)。首先是系統(tǒng)的界面熟悉，常用的到的功能主要有菜單、輸出、工具欄和工程窗口。 如果是初次進(jìn)入可以新建工程，如果是對已經(jīng)有的文件進(jìn)行編譯，則通過打開現(xiàn)有文件來進(jìn)行編譯；其次是進(jìn)行程序的編寫，通過源文件的編譯后，加入到新建工程中。然后是通過軟件的自檢功能對程序進(jìn)行初步的檢查，如果是編譯過程中有語法的錯(cuò)誤，則可以在錯(cuò)誤窗口中進(jìn)行提示。編譯這可以通過錯(cuò)誤窗口的提示，迅速的的定位到錯(cuò)誤處，然后進(jìn)行相應(yīng)的修改；最后完成程序的編譯后，將編

27、譯好的程序文件下載到單片機(jī)中，通過調(diào)試達(dá)到程序與硬件的匹配。操作界面如圖5-2所示。 圖5-2 STC—ISP操作界面圖 5.2 系統(tǒng)測試及結(jié)果 5.2.1測試方案 （1）首先是進(jìn)行硬件電路的查看，在電路上點(diǎn)前通過萬用表查看是否有短路和虛焊的情況。因?yàn)槎搪窌﹄娐吩斐芍旅缘钠茐?，尤其是電源的短路。檢查沒有短路和虛焊情況后可以上電調(diào)試。首先進(jìn)行各個(gè)功能的測試。功能調(diào)試通過后，開始電流信號采樣的調(diào)試。本調(diào)試方案中采用信號發(fā)生器進(jìn)行電流信號的模擬，然后通過示波器來顯示電流點(diǎn)好的輸出測試。主要是看電流發(fā)生器的輸出信號是否滿足要求，其次看負(fù)載端的電流幅頻情況。通過電路調(diào)節(jié)達(dá)到最佳的測試狀態(tài)

28、。 （2）通過電阻調(diào)節(jié)電源穩(wěn)定的輸出10V電壓，然后將導(dǎo)線穿過電流互感器，然后他處處穩(wěn)定的電流信號，通過電路的放大變化和計(jì)算處理之后輸出，顯示屏顯示電流峰峰值和頻率。系統(tǒng)實(shí)物如圖5-3所示。 圖5-3 系統(tǒng)實(shí)物圖 5.2.2測試數(shù)據(jù)及結(jié)果 （1）以自制電磁傳感器檢測電流信號的峰峰值。 （2）以自制電磁傳感器檢測電流信號的頻率。 （3）系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖5-4所示。調(diào)節(jié)電流信號發(fā)生器的電流頻率分別為50 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz、800 Hz、900 Hz和1000Hz，峰峰值為10mA，300mA，500mA，800mA和1000mA，用示

29、波器觀察輸出值，測試圖如下所示。 圖5-4 系統(tǒng)實(shí)物運(yùn)行圖 圖5-5 示波器波形輸出圖 通過單片機(jī)系統(tǒng)多次調(diào)試，示波器電流輸出結(jié)果如下表所示。 表5-1峰峰值(10mA)測量結(jié)果及分析 測量值 頻率（Hz） 50 200 300 500 700 800 900 1000 峰峰值（mA） 9.8 9.7 9.8 10.1 10.2 10.2 10.4 10.3 誤差(%) 2 3 2 1 2 2 4 3 頻率(Hz) 49.5 198 299 502 699 801 899 1002 誤差(

30、%) 1 1 0.33 0.4 0.14 0.12 0.11 0.2 表5-2峰峰值(300mA)測量結(jié)果及分析 測量值 頻率（Hz） 50 200 300 500 700 800 900 1000 峰峰值（mA） 298 304 306 308 306 301 307 310 誤差(%) 0.6 1.3 2.0 2.6 2.0 0.33 2.3 3.3 頻率(Hz) 49.5 198 299 502 699 801 899 1002 誤差(%) 1 1 0.33 0.4 0.14 0.1

31、2 0.11 0.2 表5-3峰峰值(500mA)測量結(jié)果及分析 測量值 頻率（Hz） 50 200 300 500 700 800 900 1000 峰峰值（mA） 487 497 502 512 507 513 507 508 誤差(%) 2.6 0.6 0.4 2.4 1.4 2.6 1.4 1.6 頻率(Hz) 49.5 198 299 502 699 801 899 1002 誤差(%) 1 1 0.33 0.4 0.14 0.12 0.11 0.2 表5-4峰峰值(800mA)測量結(jié)

32、果及分析 測量值 頻率（Hz） 50 200 300 500 700 800 900 1000 峰峰值（mA） 785 796 803 813 819 810 796 806 誤差(%) 1.8 0.5 0.5 1.6 2.3 1.2 0.5 0.7 頻率(Hz) 49.5 198 299 502 699 801 899 1002 誤差(%) 1 1 0.33 0.4 0.14 0.12 0.11 0.2 表5-5峰峰值(1000mA)測量結(jié)果及分析 測量值 頻率（Hz） 50 200 30

33、0 500 700 800 900 1000 峰峰值（mA） 996 1004 1023 1033 988 975 966 960 誤差(%) 0.4 0.4 2.3 3.3 1.2 2.5 3.4 4.0 頻率(Hz) 49.5 198 299 502 699 801 899 1002 誤差(%) 1 1 0.33 0.4 0.14 0.12 0.11 0.2 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式： (5-1) 誤差計(jì)算公式為:

34、 (5-2) 其中為測量真值，為輸入值，為誤差。 通過對上述測量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算得出，測量的電流檢測信號的峰峰值誤差為4%<5%，頻率誤差1.6%≤2%。由此可見本次設(shè)計(jì)的電流信號測量系統(tǒng)誤差較小，具有一定的精度。 從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，電流信號輸入的幅值對于電流頻率的輸出不會造成影響。電流輸出頻率只會受到輸入頻率的影響。但是峰峰值會受到輸入頻率的影響產(chǎn)生一定的波動(dòng)。從電路結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，輸出騙你了會受到電路固有頻率的影響，但是峰峰值不會改變固有頻率，所以輸出頻率相對穩(wěn)定。峰峰值的輸出會受到放大電路的影響，但是電路放大器的輸出性能會受到多方面

35、的因素的影響，包括頻率。 本次設(shè)計(jì)中電流信號的采樣是通過非接觸式檢測，采用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電流信號的獲取，采集信號通過放大處理和計(jì)算變換后在液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。 在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，電流信號的采集對于電流的控制和保護(hù)至關(guān)重要，但是交流信號的檢測往往由于測量儀表不能直接的串接到電路中給測量帶來難度，同時(shí)還會產(chǎn)生耦合效應(yīng)，影響電路的測量精度。本設(shè)計(jì)克服了這一測量缺陷，通過非接觸式得測量，對電路電流信號進(jìn)行高精度的測量，以此來保證電路的穩(wěn)定工作。 6 總結(jié)及展望 本次電流信號的檢測裝置采用互感器進(jìn)行電流信號的采集，然后通過放大濾波后輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后在液晶顯示屏上顯示數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)中采

36、用TDA2030功率放大模塊，并采用負(fù)反饋設(shè)計(jì)，因此電流信號的采集具有更好的信號跟蹤信能和信號處理的精準(zhǔn)度。最后通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測試，電流信號的峰峰值誤差為4%<5%，頻率誤差1.6%≤2%。滿足設(shè)計(jì)的要求。 電流信號的采集大多采用非接觸式，因此采集的信號比較小，并且波形穩(wěn)定，因此需要通過放大濾波。在工業(yè)控制中，電流信號以交流信號為主，因此不能將測量儀表直接串如到回路中，否組會造成回路工作的異常和不穩(wěn)定。因此，非接觸式的電流信號采集檢測裝置成為研究的重點(diǎn)和趨勢之一。 參考文獻(xiàn) [1]王威,崔敏,李孟委,張鵬,吳倩楠,張勝男.pA級電流信號檢測電路設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)

37、,2019(02):173-179. [2]李宏亮,張清勇,吝繼鋒.伺服控制電流信號檢測技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2019(07):151-153+157. [3]劉陽.數(shù)字PCB電流傳導(dǎo)干擾信號檢測的一種算法[J].四川水泥,2018(12):327+346. [4]李彥君,趙帆.基于MSP430單片機(jī)的電流信號檢測裝置[J].電腦迷,2018(11):95. [5]張心怡,官文亮,梅政,李剛.電流信號檢測裝置[J].電子制作,2018(21):62-64. [6]黃平,張宇飛.電流信號檢測裝置設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī),2018，49(20):134. [7]趙新.基于單片機(jī)控

38、制的交流電流信號檢測裝置的設(shè)計(jì)[J].武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2018,20(03):100-104. [8]韓岱洪.基于STM32單片機(jī)的電流信號檢測裝置設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通,2018(08):113+118. [9]楊家興. 小電流接地系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償仿真研究[D].廣西大學(xué),2018. [10]任麗囡. 電纜局部放電的脈沖電流信號檢測及信號處理[D].河北科技大學(xué),2016. [11]倪偉. 計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2016.  A Current Signal Detection Device Deng ZhiWen Ab

39、stract：Current signal as an important indicator of the circuit, for the normal operation of electrical components, the stability of the system integrated circuit function and its importance, so the detection of current signal is particularly critical. The device uses STM32 single chip computer as th

40、e core control device, and realizes the function of detecting loop current signal. The current signal is acquired by the power amplifier circuit of TDA2030 with a hollow coil transformer wrapped with enameled wires. The data is amplified by an operational amplifier and fed back to the STM32 single c

41、hip computer. After receiving the signal, the MCU first converts AD, then uses the improved FFT algorithm to process, and finally displays the information of the amplitude and frequency of the detected current through the LCD screen in detail. After testing, the device achieves high measurement accu

42、racy and can accurately measure current signals. This new instrument with single-chip computer as its core controller has made great progress in automation of measurement engineering and diversification of functions. Keywords: Current; Signal Detection; STM32; TDA203 致 謝 本次設(shè)計(jì)的題目是一種電流信號檢測裝置。從開

43、始確定選題題目到完成設(shè)計(jì)任務(wù)前后歷時(shí)3個(gè)月，在這3個(gè)月的設(shè)計(jì)過程中，遇到許多問題和難點(diǎn)，通過自己的努力，還有年級同學(xué)和學(xué)院老師幫助，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，非常感謝同學(xué)們的幫助和學(xué)院老師的點(diǎn)解，特別是我的指導(dǎo)老師岑明燦，他不僅從論文選題上給與我指導(dǎo)意見和設(shè)計(jì)方向，還為我提出了許多寶貴的論文修改意見，協(xié)助我完成了論文的編寫。非常感謝每位幫助過我的同學(xué)和老師，讓我在大學(xué)的最后一個(gè)學(xué)期過得如此的充實(shí)和有意義，讓我在大學(xué)的最后交上一份令人滿意的答卷。 最后，由衷感謝所有審閱我論文的老師和教授！ 廣西師范大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))學(xué)生誠信保證書 本人鄭重承諾：畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）《一種電流信號檢測裝置》的內(nèi)容真實(shí)、可靠，系本人在 岑明燦 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人愿承擔(dān)全部責(zé)任。 學(xué)生簽名： 年 　 月 　 日 23