CN214041538U - 基于单片机的电流、电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的电流、电压检测电路，包括单片机、电流检测电路、电压检测电路和上位机；单片机包括AD转换器，电流检测电路和电压检测电路分别与AD转换器连接，AD转换器通过串口与上位机连接，并将电流检测电路检测电流值和电压检测电路检测的电压值传输至上位机中；与现有技术相比，本实用新型具有更高精度、能够快速响应、准确率高，并且十分稳定，具有十分良好的测量效果，电流检测的量程为0至1A，精度达到了10mA；电压检测的量程为0至36V，精度达到了0.1V。

Description

基于单片机的电流、电压检测电路

技术领域

本实用新型涉及电子检测设备领域，具体为一种基于单片机的电流、电压检测电路。

背景技术

当代科学的发展对与电力有关的电子测量提出了越来越高的要求，电量测量中最基本的电流测量和电压测量也需要随着科技的发展不断地改进。传统的电流、电压测量都是采用的电磁指针式的电流表和电压表。它们利用电生磁的原理，让所测电流、电压所产生的磁场使指针发生偏转，从而测出相应的电流或电压的大小。而采用这种方式测得的电流、电压精度较低，同时指针式的结构读数不便、响应速度偏慢、稳定性差的缺点也体现了传统电流、电压测量方式的不足。

以单片机作为载体的电流、电压检测则是一种新型的高精度测量方式。它采用数字化的测量技术，即把连续的模拟量(电流电压)转化为离散的数字的形式并加以显示。由于单片机的存储、数据运算和处理以及命令识别的能力，因此基于单片机的电流、电压检测模块相比于传统电流表和电压表具有响应更快、精度更高、数字显示更加直观、稳定度更高的优点，而且还具有体积小、结构简单、成本较低的特点；但是现有的基于单片机的电流、电压检测模块由于受到电子元件本身性能限制，导致测量模块无法同时做到精度高，量程大。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种基于单片机的电流、电压检测电路；具有分别实时检测待测电路的电流、电压大小的功能，其中检测电流时量程为0A至1A，精度为10mA；检测电压时量程为0V至36V，精度为0.1V。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于单片机的电流、电压检测电路，包括单片机、电流检测电路、电压检测电路和上位机；单片机包括AD转换器，电流检测电路和电压检测电路分别与AD转换器连接，AD转换器通过串口与上位机连接，并将电流检测电路检测电流值和电压检测电路检测的电压值传输至上位机中。

具体的方案，电流检测电路包括电流检测芯片、采样电阻和负载电路；采样电阻依次与电源、负载串接，且电流检测芯片输入端与采样电阻连接，输出端与AD转换器连接。

具体的方案，电流检测芯片为MAX40010电流感应放大器，MAX40010电流感应放大器包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口包括RS+、RS-端口，采样电阻两端分别与MAX40010电流感应放大器的RS+、RS-端口连接；信号输出端口与AD转换器连接。

具体的方案，信号输出端口与AD转换器之间设有电压运算放大器，电压运算放大器的正向输入端通过限流电阻与地串接；反向输入端通过第二电阻与外部电源连接，输出端与AD转换器连接；MAX40010电流感应放大器信号输出端口通过串接的第一电阻、第五电阻与AD转换器与电压运算放大器的连接点连接。

具体的方案，MAX40010电流感应放大器信号输出端口与AD转换器之间串接有第一电阻R₁和第五电阻R_f，其中，第一电阻R₁、第五电阻R_f的的阻值为1KΩ，第二电阻R₂阻值为2KΩ。

具体的方案，采样电阻阻值为50mΩ。

具体的方案，电压检测电路包括电源、负载电路和并接在负载电路两端的电阻组件，电阻组件包括串接的第三电阻R₃和第四电阻R₄，且第三电阻与第四电阻的阻值不相同；第三电阻与第四电阻的连接点与AD转换器连接。

优选的方案，还包括缓冲放大器，缓冲放大器的正向输入端与第三电阻与第四电阻的连接点连接，输出端与AD转换器连接，反向输入端与输出端与AD转换器的连接点连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的基于单片机的电流、电压检测电路，包括单片机、电流检测电路、电压检测电路和上位机；单片机包括AD转换器，电流检测电路和电压检测电路分别与AD转换器连接，AD转换器通过串口与上位机连接，并将电流检测电路检测电流值和电压检测电路检测的电压值传输至上位机中；与现有技术相比，本实用新型具有更高精度、能够快速响应、准确率高，并且十分稳定，具有十分良好的测量效果，电流检测的量程为0至1A，精度达到了10mA；电压检测的量程为0至36V，精度达到了0.1V。

附图说明

图1为本实用新型的构造关系图；

图2为本实用新型的电流检测电路设计原理图；

图3为本实用新型的电压检测电路设计原理图；

图4为本实用新型的中软件系统流程图。

主要元件符号说明如下：

1、电压检测电路；2、电流检测电路；3、上位机；4、AD转换器；R₁、第一电阻；R₂、第二电阻；R₃、第三电阻；R₄、第四电阻；R_f、第五电阻。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

如背景技术所述，现有的基于单片机的电流、电压检测模块由于受到电子元件本身性能限制，导致测量模块无法同时做到精度高，量程大；基于此本实用新型提供了一种基于单片机的电流、电压检测电路1，参阅图1，其包括单片机、电流检测电路2、电压检测电路1和上位机3；单片机包括AD转换器4，电流检测电路2和电压检测电路1分别与AD转换器4连接，AD转换器4通过串口与上位机3连接，并将电流检测电路2检测电流值和电压检测电路1检测的电压值传输至上位机3中。

本实用新型的主要内容是设计一个基于STM32单片机的电流、电压检测模块，要求其具有分别实时检测待测电路的电流、电压大小的功能，其中检测电流时量程为0A至1A，精度为10mA；检测电压时量程为0V至36V，精度为0.1V。

本设计的电流检测电路2由电流检测芯片、采样电阻和负载电路组成，其中检流方式为高端检测。通过在电源与负载电路之间串联一个起采样作用的检流电阻，将电流信号转化为电压信号。由于检流电阻的阻值通常非常小，因此需要经过电流感应放大器将信号放大，然后从输出端输出至控制系统进行采样。

参阅图2，其中电流检测芯片采用的是美信半导体(MaximIntegrated)生产的MAX40010电流感应放大器。它具有2.7V至76V的共模输入范围，不受电源电压的影响。MAX40010通过外部电流感应电阻检测电流，并放大电阻的电压。高侧电流检测不影响测量负载的接地路径，因此MAX40010非常适合用于大量高电压系统。

使用电流检测芯片的具体型号为MAX40010F，它具有50V/V的电压增益，检流电阻的阻值为50mΩ。由于检测电流的范围为0A至1A，则由欧姆定律U＝I×R得检流电阻Rsense上电压为0至50mV，理论上MAX40010电流感应放大器的输出电压范围应为0至2.5V。但由于MAX40010电流感应放大器需要至少2.7V至76V的共模输入范围的特性，考虑到若不外加偏置电压，MAX40010电流感应放大器双端输入共模电压远达不到2.7V，无法使其进入正常的工作模式。

本设计选择了使用双电源进行供电的方案以解决上述问题，在反相器的选择上本设计选用的是OP07C低偏移电压运算放大器。OP07芯片是一款低噪声，双极输入(双电源供电)的晶体管放大器集成电路芯片。由于OP07具有非常低的输入失调电压(OP07C最大150mV)，因此对于大多数应用情况下，OP07的偏移归零都不需要进行。宽输入电压范围和出色的共模抑制性能，使得OP07可在高噪声环境和同相应用中获得最大的灵活性和性能。OP07具有低输入偏置电流(OP07C为±1.8nA)和高开环增益(OP07C为400V/mV)的特点，这种特点使OP07成为高增益测量设备和放大传感器的微弱信号时的理想选择。

基于OP07C运算放大器的上述特性，它很适合在本设计的条件下作为实现反相放大电路和减法电路的运算放大器。根据OP07C运算放大器设计了一个电路以完成反相和减法功能(如图1所示)，其中R₁＝R_f，R₂＝2R_f，根据叠加原理可知，OP07的输出结果为：

其中V_CC＝5V，因此U_o＝-U₁-2.5(V)最终实现了将0至1A的电流信号转化为2.5V至0V的电压信号的功能，使其能被AD转换器4进行采样。

本设计的电压检测电路1如图3所示。其中R₃＝110kΩ，R₄＝10kΩ，R₃:R₄＝11:1，计算可得输入到AD转换器4的待测电压变为0V至3V，精度可达到10mV，完全满足设计指标的要求。对于搭建缓冲放大器的运算放大器，本设计使用的是OPA333微功耗1.8V CMOS运算放大器。OPA333采用专有的自动校准技术，具有极低的失调电压(最大10μV)，随时间和温度的变化接近零漂移。这些微型、高精度、低静态电流放大器可以提供高阻抗输入，还可以使用低至1.8V(±0.9V)和高达5.5V(±2.75V)的单电源或双电源进行供电。OPA333提供出色的共模抑制比，可以在不降低差分线性度的情况下，为驱动模数转换器(ADC)提供卓越的性能。

软件系统的主要功能是对测量的电流、电压信号进行采样，经过一定的计算，最终经由串口传输至上位机3打印并显示。系统程序主要由AD转换程序、运算程序和串口通信程序构成，其运行流程图如图4所示。其中AD转换程序主要是对输入的模拟电压信号进行采样，得到数字信号；运算程序主要是对经过AD转换后的数字信号进行计算和处理；串口通信程序实现将经过计算处理后的测量值传输至上位机3打印并进行显示。

本设计中使用的STM32的AD转换器4是一个12位逐次逼近型模数转换器。它总共有18个通道，其中的16个可以对外部信号源进行测量，有2个则是对内部信号源进行测量。各个通道的AD转换可以选择在单次、连续、扫描或间断等不同模式下执行。ADC转换的结果可以在存储时以左端对齐或右端对齐的形式存于16位的数据寄存器中^[8]。STM32的AD转换器4在时钟频率为14M时，可以获得最大的转换速率(1Mhz)，即转换时间为1us(采样周期为1.5个ADC时钟)，AD转换器4的时钟不能超过14M，否则结果的准确度会降低。STM32将ADC的转换分为2个通道组：规则通道组(最多16个)和注入通道组(最多4个)。注入通道的转换可以打断规则通道的转换，然后优先进行注入通道的转换，注入通道的转换完成后再继续进行规则通道的转换。

对于电流检测电路2，参阅图2，待测电流信号先经过50mΩ的检流电阻转化为电压信号，再经过50V/V的电流感应放大器放大，再经过反相放大器和减法器，设流入检流电阻的电流值为I_in，则输入AD转换器4的电压值U_I应为：U_I＝(I_in×0.05×50-5)×(-1)-2.5(V)简化后，得到U_I＝2.5-2.5I_in(V)由此可得I_in＝1-0.4U_I(A)对于电压检测电路1，待测电压信号经过两个串联的阻值大小为11:1的电阻，再把小电阻上的电压经过缓冲放大器后输入至AD转换器4，设待测电压的大小为U_in，则输入AD转换器4的电压值U_V应为：

(V)由此可得：U_in＝12U_V(V)。

本设计要求电压检测的量程为0V至36V，而STM32单片机的AD转换器4的参考电压为3.3V，要想测量36V电压还远远不够，因此不能直接测量待测电压。

利用电阻串联分压的原理，用一个大电阻和一个小电阻串联接入电路，再对小电阻上的电压进行测量，根据大电阻与小电阻阻值的比例关系来算出待测电压的大小。考虑到电压的稳定性，测量在小电阻上的电压时接上一个缓冲放大器，起到稳定电压的作用，再将输出的电压信号传输至控制系统，经过AD转换器4采样得到测量值，最后由STM32单片机读取和处理数据。此方法电路结构比较简单，易于实现。

本设计的串口通信程序使用9600bps波特率进行同步，每次计算处理数据后，将数据通过串口发送到上位机3打印。其中，发送电流测量值时打印“CURRENT VALUE:”，发送电压测量值时打印“VOLTAGE VALUE:”，以此区别电流输出和电压输出。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，包括单片机、电流检测电路、电压检测电路和上位机；单片机包括AD转换器，电流检测电路和电压检测电路分别与AD转换器连接，AD转换器通过串口与上位机连接，并将电流检测电路检测电流值和电压检测电路检测的电压值传输至上位机中。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，电流检测电路包括电流检测芯片、采样电阻和负载电路；采样电阻依次与电源、负载串接，且电流检测芯片输入端与采样电阻连接，输出端与AD转换器连接。

3.根据权利要求2所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，电流检测芯片为MAX40010电流感应放大器，MAX40010电流感应放大器包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口包括RS+、RS-端口，采样电阻两端分别与MAX40010电流感应放大器的RS+、RS-端口连接；信号输出端口与AD转换器连接。

4.根据权利要求3所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，信号输出端口与AD转换器之间设有电压运算放大器，电压运算放大器的正向输入端通过限流电阻与地串接；反向输入端通过第二电阻与外部电源连接，输出端与AD转换器连接；MAX40010电流感应放大器信号输出端口通过串接的第一电阻、第五电阻与AD转换器与电压运算放大器的连接点连接。

5.根据权利要求4所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，MAX40010电流感应放大器信号输出端口与AD转换器之间串接有第一电阻和第三电阻，其中，第一电阻、第五电阻的阻值为1KΩ，第二电阻阻值为2KΩ。

6.根据权利要求4所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，采样电阻阻值为50mΩ。

7.根据权利要求1所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，电压检测电路包括电源、负载电路和并接在负载电路两端的电阻组件，电阻组件包括串接的第三电阻和第四电阻，且第三电阻与第四电阻的阻值不相同；第三电阻与第四电阻的连接点与AD转换器连接。

8.根据权利要求7所述的基于单片机的电流、电压检测电路，其特征在于，还包括缓冲放大器，缓冲放大器的正向输入端与第三电阻与第四电阻的连接点连接，输出端与AD转换器连接，反向输入端与输出端与AD转换器的连接点连接。

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