单片机如何测电流

本文详细解析单片机测量电流的十二种核心方法，涵盖分流器、霍尔传感器、电流互感器等经典方案，重点剖析高边与低边检测的优劣对比，并提供运放选型与PCB布局的实用技巧。针对不同量程需求，分别给出微安级至百安级电流的测量实现路径，最后通过实际代码示例演示电流数据的处理与校准方法。

       电流测量的基本原理与分类

       电流测量本质上是通过检测载流导体周围产生的物理效应来间接获取电流值。根据物理原理的不同，可分为基于欧姆定律的分流检测法、基于电磁感应的互感器法、基于霍尔效应的磁检测法以及基于磁阻效应的新型方案。单片机作为数字处理核心，需要配合外围电路将电流信号转换为可采集的电压信号，再通过模数转换器（ADC）进行数字化处理。

       分流电阻器的选型要诀

       分流器是最经典的电流检测元件，其选型需重点考虑三个参数：阻值、功率容限和温度系数。阻值选择需在测量精度与功耗间取得平衡，通常使额定电流下压降为50-100毫伏。功率容限应大于最大电流的平方与阻值的乘积，并预留30%余量。温度系数应选择低于50ppm/℃的合金材料，如锰铜或伊萨电阻合金，以降低温漂误差。

       高边检测与低边检测的对比

       根据分流器放置位置分为高边检测（电源侧）和低边检测（接地侧）。低边检测方案简单且共模电压低，但会破坏接地完整性。高边检测虽电路复杂，但能保持接地连续性且可检测负载短路故障。现代专用电流检测芯片如德州仪器的INA系列，已能轻松处理数十伏共模电压下的高边检测需求。

       运算放大器的关键参数选择

       用于信号调理的运放需重点关注输入偏移电压、共模抑制比和增益带宽积。微安级电流测量应选择偏移电压低于10微伏的零漂移运放，如亚德诺半导体的AD855系列。共模抑制比应大于120分贝以确保抑制电源噪声。增益带宽积需为信号带宽的10倍以上，避免动态响应失真。

       霍尔效应传感器的应用场景

       基于霍尔效应的电流传感器适合大电流隔离测量，典型器件如阿尔卑斯阿尔派的CH701系列。其核心优势是非接触测量，彻底消除功率损耗，且具备毫秒级响应速度。但存在温度漂移和零点误差问题，需定期进行零点校准。最新隧道磁阻（TMR）传感器已将精度提升到±0.5%以内，逐渐成为高端应用首选。

       电流互感器的交流测量方案

       工频交流测量首选电流互感器，其利用电磁感应原理实现电气隔离。次级线圈需并联采样电阻将电流转换为电压信号，电阻值需根据互感器变比和ADC量程计算确定。注意互感器存在饱和风险，测量冲击电流时应选择饱和磁通密度高的纳米晶磁芯。如需测量直流分量，需采用霍尔复合型互感器。

       模数转换器的配置要点

       单片机内置ADC需配置为连续采样模式，采样率至少为信号最高频率的10倍。参考电压应选择外部基准源，如德州仪器的REF5025，其温度漂移仅3ppm/℃。对于微安级电流测量，建议使用24位Σ-Δ型ADC，如亚德诺半导体的AD7124，其内置可编程增益放大器能直接处理小信号。

       数字滤波算法的实现

       原始采样数据需经过数字滤波处理，移动平均滤波适合工频测量，但会引入相位延迟。对于变频系统，应采用有限脉冲响应（FIR）滤波器保持线性相位。卡尔曼滤波能有效抑制白噪声，特别适合动态电流跟踪。所有滤波算法应进行定点优化，确保在8位单片机上也能实时运行。

       系统校准方法与误差补偿

       高精度测量必须进行两点校准：零点校准需在无电流输入时记录ADC底数，满量程校准需施加标准电流源。温度补偿需建立分流器温漂模型，通常采用多项式拟合。对于霍尔传感器，需在不同温度下记录零点漂移曲线并存入闪存。智能校准算法可自动识别负载断开状态进行实时零点追踪。

       PCB布局的注意事项

       电流检测电路的布局质量直接决定测量精度。分流器应采用开尔文接法消除引线电阻误差。模拟部分与数字部分需严格隔离，地线采用星型拓扑。采样走线应远离高频开关线路，必要时添加接地屏蔽层。运放反馈电阻应紧靠器件放置，避免引入寄生电容导致振荡。

       微安级电流的测量技巧

       测量微安级电流需采用跨阻放大器结构，将电流直接转换为电压。反馈电阻需选用10千欧至1兆欧的高阻值低温漂电阻，并联补偿电容抑制振荡。特别注意防止漏电流，电路板应做防潮处理并增加保护环。对于纳安级电流，需选用结型场效应管输入型运放，如凌力尔特的LMP7721。

       百安级大电流的处理方案

       百安级以上大电流测量首选磁平衡式霍尔传感器，如莱姆公司的LAH系列。分流器方案需采用四端钮结构，通过水冷散热控制温升。注意强电流产生的磁场会干扰单片机工作，应保持至少50毫米距离或添加磁屏蔽层。所有接线端子需采用压接方式，避免接触电阻引入误差。

       实际代码实现示例

       以STM32系列单片机为例，初始化ADC采用DMA传输模式，设置200赫兹采样率。数据处理阶段采用递推平均滤波算法，窗口宽度取10个点。校准系数存储在闪存的特定扇区，上电时自动加载。电流值计算公式：实际电流=（原始采样值-零点校准值）×满量程系数/4096，最后通过串口输出JSON格式数据包。

       安全防护与故障诊断

       电流检测电路需添加过压保护二极管，防止负载异常时损坏ADC输入端。高压应用应光耦隔离数字信号。软件层面设置突变检测机制，当电流变化率超过阈值时触发紧急关断。定期自诊断功能可检测传感器开路故障，通过比较多个冗余传感器的读数判断系统健康状态。

       新兴技术发展趋势

       当前电流检测技术正向集成化、智能化方向发展。如意法半导体的STM32G4系列已内置可编程运放和12位ADC，单芯片即可完成电流检测。人工智能算法开始应用于故障预测，通过历史数据训练神经网络识别异常模式。无线传输技术的融合使得分布式电流监测系统成为可能，为智能电网提供技术支持。