市电电流电压检测电路简化设计

一路上

前言

鱼塘增氧泵远程监控项目要求，将采集到的增氧泵的工作电流，通过4G移动通信模块连接到服务器。用户可随时远程查看增氧泵的电压、电流等工作状况；通过对电流、电压的判断进行故障保护，并可以远程启停。当发生各种故障时，以及发生停电事件时，可以即时给用户拨打电话。

增氧泵项目分析

鱼塘动辄几十上百亩，这么大的鱼墉使用的增氧泵数量比较多；因此能控制的增氧泵数量越多，控制器越有竞争力。

对于一路控制，需要至少检测4路电流（包括三相电流以及零序电流），每一路电流的检测都需要有电流互感器、采样电流、信号调理电路，保护电路等等，需要一大堆的电子元器件。

电路设计思路

传统的做法如下：

图1 传统的市电电流检测电路

图1电路交流互感器CT1感应的电流经过电阻R6采样成电压,经过运放U3A,U3B以及二极管D1,D3等器件构成的精密绝对值电路，将输入的负电压转换为正电压。

再经过R2、C1等器件构成的低通滤波器，滤成直流,送入MCU/DSP的AD检测口。

其中R5、D2用于输入端口保护，以及避免输入电压超过VREF电压时对ADC的精度造成影响。
图1电路有几个缺点：

1.运放需要双电源供电，需要增加一个负电源的电路和成本。
2.精密绝对值电路需要两个运放，和包括电阻、二极管、电容在内的至少7个器件。
3.采用平均值法测量电流，再通过正弦信号的有效值和平均值的转换关系，换算出有效值，而不是真正通过积分算出来的真有效值。在市电有谐波时，与真有效值表的读数有比较大的偏差。

我们经过反复考虑，创造性地设计了以下的电路：

图2 创造性的电路改进

图2电路的思路是通过运放将采样的电流信号放在到合适的幅度，通过运放同相端输入的正电压将交流信号抬升到0V以上，到MCU工作电压的一半，约为1.65V。

MCU/DSP在市电的一个周期20ms内，等间隔采样n个点，采用真有效值的计算方法计算电流的真有效值。

图2电路有以下优点：

1.采用可以单电源供电的运放LM224，节省了一个运放；
2.只需要对交流信号放大，不需要复杂的绝对值电路，复杂的运算由软件算法实现。
3.每一路的信号调理电路只需3个元器件(2个电阻和1 个电容)，比传统绝对值电路少了4个元器件和1个运放。
4.由于外壳尺寸的限制以及成本的限制，PCB板的位置寸土寸金。改进之后，每一路器件所占用的面板不到改进前的1/4。
5.运放LM224采用5V电压供电，其满幅度输出电压为5V-1.4V=3.6V，不会超过MCU供电压电3.3V+0.3V，不但省了1个保护二极管，而且比改进来通过二极管做的输入保护效果还更好。

电路公式

图1 电路中，直流工作电平为：3.3V/(R112+R76)*R76*(1+R1/R7)=3.3V/(2.2+47)*2.2*(1+47/4.7)=1.62V。

这样可以做到输入电压信号的最大幅度；当市电电流为额定值5A真有效值时，采用2000:1的交流互感器，采样电阻R6采用25R。

运放输出的额定交流信号为：5*1.414*2/2000*25*(R1/R7)=1.76v峰峰值。

此时，输入到MCU的电压信号为叠加在1.62V的直流电平上，峰峰值为1.76V的交流信号；最低输入电压为0.74V，最高输入电压为2.50V。