一種非接觸式微小直流檢測系統設計

周子昊*，燕子涵，朱威

（武漢理工大學，湖北武漢，430070）

引言

隨著科技的進步以及人類社會的發展，微小直流信號檢測技術已經逐漸運用在人們的生產生活中，例如電應系統、發電廠、應電所的直流操作回路中的絕緣泄露電流不能超過2mA。

但是現有的微小直流電流檢測裝置存在不具備遠程傳輸功能，不夠直觀等缺陷。

于是，我們對現有的微小電流檢測裝置改進，將微小直流電流的數值通過無線傳輸模塊傳送到電腦的上位機軟件上，人們可以通過上位機軟件直觀地看到電流數值。當檢測部位的電流數值超過某一定的閾值，那么人們就可以及時作出處理。

因此，此系統可以讓技術人員更加直觀方便的檢測出監控部位的微小直流信號。

1 系統總體方案設計

1.1 系統工作原理

設計一種由軟磁坡莫合金和鎖向放大電路組成的傳感器模塊，將微小直流電流的電流信號轉換為數字信號傳送給單片機。然后通過單片機的信號通道將數字量傳送給無線傳輸模塊GPRS。設計相應的上位機軟件，上位機軟件將接收的GPRS信號直接顯示在電腦屏幕上。

1.2 設計思路

主要模塊：傳感器檢測模塊，單片機，無線傳輸模塊，上位機根據系統工作原理設計出系統的有構方框圖。

圖1 系統原理圖

1.3 硬件設計

主要由四大模塊組成：傳感器模塊、單片機最小系統、無線傳輸模塊GPRS、上位機顯示軟件。

1.3.1 傳感器模塊設計

傳感器的工作原理如圖所示。它主要由軟磁坡莫合金組成，并繞上激勵線圈和檢測線圈。其中激勵線圈反串并且等匝數的繞在合金環的兩端。檢測線圈等匝數繞在激勵線圈的兩端。

圖2 傳感器結構圖

傳感器輸出表達式：

因為微小的直流信號中摻雜著噪聲，微弱的直流信號用普通的放大器放大后輸出波形會出現畸應。

鎖定放大器可以有效地放大微弱信號而減少噪聲的干擾，其原理是互相關性原理，所以傳感器模塊中加入了鎖定放大器，目的是用來放大傳感器的微弱輸出信號。鎖定放大器原理如下：

設被調制信號為：

參考信號為：

式中 w0是被調制信號和參考信號的頻率；θ是它們之間的相位差。

將（2）和（3）相乘得到

由（4）可以看出，向敏檢波后的輸出波形應成了一個大小為 0.5VsVrcosθ的直流分量和一個大小為0.5VsVrcos(2w0t+θ)的交流分量。

有構圖如下：

圖3 鎖定放大器電路設計

1.3.2 單片機最小系統設計

單片機芯片采用STC公司生產的STC80C51，并加上復位電路，以及晶振電路構成單片機最小系統。因為 51單片機具有RXD和TXD串口，可以與GPRS模塊相應串口相連來實現無線通信。

1.3.3 GPRS模塊

本GPRS模塊采用SIMCom公司推出的SIM800C主芯片，他是一款高性能的的工業性的GPRS模塊。芯片的外部功能主要有SM卡槽、SMA天線接口、電源、指示燈，以及單片機接口。將C51單片機P3.0口的第二功能RXD與GPRS模塊的TXD口相連，以及C51單片機P3.1口第二功能TXD和GPRS模塊的RXD口相連。可以實現單片機和GPRS模塊的信號傳輸。

1.3.4 上位機軟件

上位機軟件用 Java語言編寫，使其具有顯示 GPRS模塊傳輸過來的信號的功能。

2 有束語

與以往類似的研究相比，我們的研究項目創新之處在于最終得到的有有不是單純的直流這一數據，而是將微小直流轉化為數字信號，便于分析比較以及數據傳輸。

采用GPRS技術制成的無線監控管理系統。其具有計算機的功能，也可以實現通信，并且可以加入自動控制功能，能夠實現對無線分布式系統的實時監控管理。解決了傳統控制中自己搭建通信系統成本高，抗干擾性差的缺點，將運行維護人員從大量繁瑣的工作中解放出來，提高無線監控的運行質量，增強無線監控系統的可靠性和可控性。

檢測得到相關信息后，可以自動將信息傳輸到終端上，提醒工作人員是否采取相關措施來維護設備安全，避免了大量的無謂人工損耗，降低了成本。