基于STM32F103的電感測(cè)量?jī)x

向波+向偉+鄭恒+董效杰

摘 要：該文介紹的電感測(cè)量?jī)x是由STM32F103單片機(jī)作為控制芯片的軟硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由電源模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、測(cè)量濾波模塊、人機(jī)交互模塊和單片機(jī)等子模塊組成。利用集成壓控振蕩芯片、變?nèi)荻O管、待測(cè)電感和濾波電路產(chǎn)生精確的諧振頻率信號(hào)。由STM32F103單片機(jī)檢測(cè)經(jīng)放大和分頻之后的諧振信號(hào)，計(jì)算并通過(guò)人機(jī)交互模塊顯示電感的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電感的測(cè)量，此方法測(cè)量方便，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低。

關(guān)鍵詞：電感測(cè)量 集成壓控振蕩原理 STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TH83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（c）-0019-03

在電力電子設(shè)計(jì)和嵌入式控制領(lǐng)域中，受多方面因素的影響，電感線圈往往不同于電阻方便測(cè)量。為了解決該問(wèn)題，該文介紹了一種間接測(cè)量電感值的方法，暨利用集成壓控振蕩原理，將不同電感線圈的電感值轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，最后通過(guò)檢測(cè)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電感的間接測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，基于該方法設(shè)計(jì)的電感測(cè)量?jī)x能夠?qū)崿F(xiàn)較微小值的測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果一致性好、性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高。

1 測(cè)量原理

系統(tǒng)利用電感和電容通過(guò)諧振原理，后經(jīng)過(guò)集成壓控振蕩芯片將諧振頻率作為檢測(cè)頻率輸出，最后通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。壓控震蕩是通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻或可變電容以改變波形發(fā)生電路的振蕩頻率，自動(dòng)控制場(chǎng)合往往要求自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩頻率。常見情況是給出一個(gè)控制電壓。頻率的間接測(cè)量，是在硬件電路中將不同電感線圈的電感值轉(zhuǎn)換成頻率作為輸出經(jīng)過(guò)放大成單片機(jī)能識(shí)別的信號(hào)，然后通過(guò)在單片機(jī)上編寫程序，檢測(cè)來(lái)自硬件電路的頻率信號(hào)，在通過(guò)內(nèi)部算法將不同頻率對(duì)應(yīng)的電感大小顯示出來(lái)。暨集成壓控振蕩原理和高性能的STM32F103單片機(jī)軟硬件配合。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)主要包括振蕩模塊、濾波放大模塊、單片機(jī)模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊等，框圖如圖1所示，同時(shí)展現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的關(guān)系，其中單片機(jī)模塊是該系統(tǒng)的核心，其說(shuō)明詳見文章內(nèi)容2.3小節(jié)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊

電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基本保障。由于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，時(shí)刻受到各種感性元件的影響，整流輸出電壓取決于變壓器副邊電壓有效值，輸出電壓平均值隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)；另一方面，整流濾波電路存在內(nèi)阻，負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓平均值也將隨之變化。綜上兩種因素，導(dǎo)致輸出電壓穩(wěn)定性較差，測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)誤差。負(fù)載電壓：

式中，Ce為渦流損耗系數(shù)；△為變壓器鋼片厚度；Bm為磁場(chǎng)強(qiáng)度。易知磁滯損耗與頻率f的平方成正比。

穩(wěn)壓部分設(shè)計(jì)，將質(zhì)量較差的電壓變換為平滑的直流電壓。選用7915、7905、7805、7815等穩(wěn)壓芯片，這4個(gè)穩(wěn)壓器都具有較完善的短路和限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路。

2.2.2 變?nèi)荻?jí)管特性

變?nèi)荻O管是一種隨其端電壓變化而改變結(jié)電容的半導(dǎo)體器件。不同的電感線圈和相應(yīng)的電容產(chǎn)生諧振，對(duì)變?nèi)荻O管的要求比較高。根據(jù)頻率的計(jì)算公式可知，C變化范圍的大小決定了振蕩器的頻率覆蓋范圍。該文選用BB809二極管，最高電壓為30 V，最大電流為20 mA，性能穩(wěn)定。

2.2.3 壓控振蕩模塊

MC1648 是一種負(fù)阻型壓控振蕩器，工作電壓5 V，工作頻率范圍10 Hz～150 MHz，內(nèi)部有放大電路和自動(dòng)增益控制，可以實(shí)現(xiàn)輸出頻率穩(wěn)幅，射極跟隨器有隔離作用，可減小負(fù)載對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響。外接一個(gè)并行的LC槽路，結(jié)合變?nèi)荻O管BB809和電感線圈既可得到穩(wěn)定頻率輸出。

2.2.4 設(shè)計(jì)原理

該電感測(cè)量?jī)x的原理圖如圖3所示。被測(cè)電感直接接在Lx位置，與變?nèi)荻O管共同作用，就會(huì)產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)并從MC1648的引腳3輸出。接至分頻器[1]進(jìn)行分頻。

在圖3中，D2是變?nèi)荻O管，電位器VR1對(duì)+15 V進(jìn)行分壓，調(diào)節(jié)該電位器可獲得不同的電壓輸出，變?nèi)荻O管電壓VD2：

式中，諧振頻率f0為MC1648的引腳3輸出頻率值；C為電位器VR1調(diào)定的變?nèi)荻O管的電容值。可見要計(jì)算f0的值還需先知道C值。為此需要對(duì)電位器VR1刻度與變?nèi)荻O管的對(duì)應(yīng)值做出校準(zhǔn)。為此，我們要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電感線圈取0.44 uH。

校準(zhǔn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)線圈接在如圖2所示的LX的1，2兩端，調(diào)節(jié)電位器VR1至不同的刻度位置，在C點(diǎn)可測(cè)量出相對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，再根據(jù)上面諧振公式（4）可算出變?nèi)荻O管在電位器VR1刻度盤不同刻度的電容量[3]。表1給出了實(shí)測(cè)取樣對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32F103系列產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)ST（意法半導(dǎo)體）公司量產(chǎn)的微控制器[4]它是基于ARM7 TDMI，Cortex M3的控制器，具有高性能的32位運(yùn)算能力。

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編程和調(diào)試平臺(tái)為MDK5，系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。

STM32系列控制芯片，穩(wěn)定性好，處理速度快。該控制芯片的測(cè)量頻率可達(dá)到上百兆赫茲，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

框圖部分說(shuō)明如下。

（1）該設(shè)計(jì)以ARM單片機(jī)為核心，采用STM32F103單片機(jī)，利用其管腳的特殊功能以及所具備的A/D，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和與LCD顯示屏串聯(lián)顯示功能等。

（2）外部輸入信號(hào)，為硬件電路中通過(guò)濾波后的頻率信號(hào)。

該系統(tǒng)頻率信號(hào)捕獲是系統(tǒng)的核心，信號(hào)的采集真實(shí)度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。另外在滿足測(cè)量精確的前提下，盡量提高測(cè)量速度，保證測(cè)量的穩(wěn)定性也是關(guān)鍵性因素。

3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

將基于STM32F103的電感測(cè)量?jī)x測(cè)試數(shù)據(jù)與劉軍[5]的基于LM3S1138高精度電阻電感電容智能測(cè)試儀研究的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知諧振法的測(cè)量結(jié)果不如電橋法和阻抗電壓變化法測(cè)試結(jié)果精確，誤差來(lái)源有以下幾個(gè)方面。

（1）由于系統(tǒng)對(duì)濾波模塊的設(shè)計(jì)薄弱，因此來(lái)自系統(tǒng)和外界的噪聲干擾比較大，很大程度上影響了頻率檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（2）STM32F103的處理速度有限，因此，在信號(hào)采集之前，增加了分頻模塊，造成了信號(hào)的失真，從而引起測(cè)量誤差。

（3）PCB的制作工藝達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，有大部分的裸露銅導(dǎo)體和焊接尖端，造成銅導(dǎo)體之間相互干擾同時(shí)也易受到外界干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

該次的電感測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)制作，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室電感的測(cè)量，該電感測(cè)量系統(tǒng)采用單片機(jī)為處理器，將對(duì)電感的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量，雖然在測(cè)量精度上不及阻抗電壓變換法測(cè)量精度高，但還是在很大程度上確保了結(jié)果的準(zhǔn)確度測(cè)量，完成系統(tǒng)的電路硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試獲得滿意的結(jié)果，仍有很多待改進(jìn)的地方，比如：該系統(tǒng)可以向高智能測(cè)量?jī)x器發(fā)展，為客戶提供更加方便簡(jiǎn)單的測(cè)量試品，在提高測(cè)量穩(wěn)定性的問(wèn)題上應(yīng)該有更加多的研究與實(shí)驗(yàn)，精小美觀，方便攜帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，為實(shí)驗(yàn)室電感測(cè)量提供了很大方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳昶.吞除脈沖式數(shù)字鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，9（3）：78-81.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2014.

[3] 趙家貴.電子電路設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[4] 張洋.原子教你玩STM32（庫(kù)函數(shù)版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[5] 劉軍.基于LM3S1138高精度電阻電感電容智能測(cè)試儀的研究[D].青島科技大學(xué)，2011.