本文章介绍2026年全国大学生电子设计竞赛B题“无源”交流电流表及无线读表器从设计思路设计历程方案确定成品展示等方面。采用肖特基整流桥将交流电转为直流电后接大电容充电储能利用迟滞电路控制大电容充电能量再用HT7533稳压到3.3V给MSPM0G3507开发板后续说M0板当做开关和供电M0控制AQY412和AQY212做的继电器切换充电端和测量端用JDY-23低功耗蓝牙模块进行数据传输从而做到小于0.2A和2A的预警在手机上用BLE调试助手app观察数据。一、题目要求“无源”交流电流表及无线读表器B题一、 任务设计并制作一套可用于低压配电网的电流表及其读表系统如图1所示。其中自制的电流表下简称电流表采用如图所示的供电方式不得采用其他方式供电自制的读表系统采用无线方式读取电流表数据下简称读表器用于监视供电电路的运行情况。二、要求1.自制的电流表如图1所示电路A和电路B须采用电磁耦合方式获取电能为本电流表唯一供电图1中取电传感部分的初级绕组匝数N1≤5初级线圈的绕组在作品中能清晰可见匝数可查次级绕组匝数不限制。在制作的电流表上设置4位编码开关用于设置本电流表地址编号。电流表的电路B为可插拔的低功耗无线传输模块电路B拔除后电路A能正常工作。要求1电流表测量范围为0.1~2A显示值为有效值与标定的电流表读数相对误差绝对值≤0.5%。30分2电路A采用低功耗设计电流表启动工作的负载电流越小越好。20分3电流表的启动时间越短越好。20分2.自制的读表器如图1中的电路C所示读表器能通过无线方式读取电流表数据电路对功耗不作严格要求使用电池供电。要求1读取距离≥5m。3分2读取数据功能基本模式和自动模式读取电流表读数。基本模式即一对一读取不操作电流表但允许操作读表器手动读取自动方式能自动搜索其无线覆盖范围内的电流表每2分钟自动采集一次读表器一键启动电流表除地址码设置外不得操作其他功能键。10分3报警指示功能负载电流小于0.2A时低限报警大于2A超限报警负载断开后离线指示。5分4具有数据储存、查看历史数据、显示电流变化趋势曲线的能力数据记录中包括读取时间、电流表编号或地址、电流值、是否超限等信息至少能存储30条信息以上。具有数据掉电保护的功能。8分3.其他。4分4.设计报告。20分三、说明1.电流表、无线读表器只允许使用TI的MSPM0系列MCU型号不限MCU芯片必须裸露以方便查看电路板上不得遮挡或擦除原型号丝印。2.图1中电路B和电路C中无线通信模块可以内含非TI公司的MCU但无线模块必须为独立电路板并方便插拔模块拔除后其他部分电路除无线传输功能失效外均能正常工作不要求实现热插拔。电路A中设置残余电量放电回路须能方便操作以便于某些项目测试前放电。自制电流表留有串联其他电流表的接口。3.启动电流最小用电负载的情况下电流表能启动工作的该负载电流启动时间启动电流的工作条件下负载接通到电流表正常工作所需的时间。4.本装置因为涉及交流220V供电电路系统设计和制作必须符合电气规范强B-2/3B-3/3电部分电路做好绝缘处理操作必须符合安全规范确保人身安全负载插座选用有安装开关的用电插座改装能断开所有的负载。5.单相隔离变压器的电压变比为220V36V容量为60VA自制负载限定总视在功率在50VA以内负载电流调节范围0~2.2A连续可调。6.读表器外形尺寸控制在长×宽×高为12cm×7cm×5cm以内。读表器无线传输方式不限允许使用手机、平板电脑替代须交作品时一起封存。不得在手机或平板上额外安装部件。不得使用笔记本电脑。7.标定电流表A可以采用市售不少于4½位的手持数字万用表、台式数字多用表或交流钳形电流表作为比对仪器最小显示分辨率≤1mA。标定电流表赛区测试时可以自带不需要和作品一起封存。针对这个题要求不依赖任何外部电源、仅依靠负载电流经电磁耦合取电的交流电流表以及与其配套的无线读表系统。装置的核心思想是“取能与测量共用一只磁环”负载电流穿过环形磁芯上匝数N15的一次绕组二次绕组N2200匝变比N2N140二者构成一个电流互感器。二次绕组一方面经整流、储能与迟滞开关电路为整机供电另一方面在测量时又作为电流采样信号的来源从而在无源条件下同时完成“自供电”和“测电流”两件事。二、二次匝数与采样电阻的选型一次绕组匝数N1由题目限定为不超过5匝为使二次侧获得尽可能大的二次电流与二次电压取N15匝。真正需要设计的是二次匝数N2与采样电阻Rs由式V2I2·RsI1·(N1/N2)·Rs0.5·I1可知二者并非相互独立的参数而是通过斜率k(N2/N1)/Rs绑定在一起必须结合前端量程、磁芯饱和与取电功率三方面约束共同确定。①由ADC前端量程确定斜率k。测量支路在V2端以47 kΩ/47 kΩ分压获得1.65 V直流偏置V1端为单端输入采样信号被限制在0~3.3 V以内相对偏置点的对称余量为±1.65 V。为保证全量程不削顶取满量程I12 A对应二次电压有效值1.0 V其峰值约1.41 V留有约15%的余量。取值过大会在重载时削顶取值过小又会牺牲小电流下的分辨率1.0 V是二者的折中。由此确定斜率k(N2/N1)/Rs2.0 A/V (1)式(1)表明只要斜率确定N2与Rs就只能按下式的线性关系联动N2k·N1·Rs10·Rs (2)即200匝与20Ω是一对互为因果的参数——20Ω定下电压尺度200匝定下电流尺度二者共同决定k2.0 A/V。②由磁芯不饱和确定N2的下限。充电时二次绕组须把储能电容充到迟滞上阈值7.2 V叠加整流桥正向压降约1.2 V二次绕组两端峰值电压约需8.4 V。50 Hz工频下磁芯的工作磁密为BmVpk/(ω·Ae·N2) (3)式中磁芯有效截面积Ae(80-50)/2 mm×25 mm375 mm²角频率ω2π×50≈314 rad/s。为使磁芯不饱和须满足Bm≤Bmax按铁氧体材料保守取Bmax≈0.35 T则N2≥Vpk/(ω·Ae·Bmax)≈204 (4)即二次匝数不能少于约200匝否则充电时磁芯饱和、二次电压被削顶取电能力急剧下降。若磁芯采用硅钢或非晶等饱和磁密较高的材料该下限可相应降低。③由取电功率确定N2的上限。二次绕组实际可提供的电流为I2I1·(N1/N2) (5)N2越大二次电流越小可提取的功率越低启动电流越大3.3 V侧可用电流随一次电流的变化见表3-1N2200时2 A工况下二次电流I250 mA有效值整流滤波后折合到3.3 V侧约22 mA足以支撑整机3~5 mA的平均消耗。综合上下限二次匝数取N2200匝。④采样电阻的确定。将N2200匝代回式(2)得RsN2/(k·N1)200/1020Ω (6)采样电阻的容差与温漂会按比例直接进入测量结果是0.5%精度指标的主要误差源之一故选用精度不低于1%的大功率低感电阻。其实际耗散功率仅I2²·Rs≈50 mW选用大功率封装主要是为了降低自热温升、保证阻值稳定。⑤校核。按上述参数0.1 A对应二次电压50 mV约为62个ADC码2 A对应1.0 V峰值1.41 V仍低于1.65 V的对称余量充电态磁芯工作磁密约0.36 T低于Bmax电流分辨率约1.8 mA优于题目对1 mA分辨率的要求。可见N15匝、N2200匝、Rs20Ω的组合同时满足测量量程、磁芯不饱和与取电功率三方面的约束。三、充电/储能电路设计取电与储能电路包括电流互感器二次绕组、肖特基整流桥、储能电容、迟滞开关与稳压电路。二次绕组输出经AQY412触点接入全桥整流电路选用压降小、反向恢复时间短的肖特基二极管组成整流桥将交流变为脉动直流整流后对4只2200µF/16 V电解电容并联而成的8800µF储能电容充电。电容两端并联12~15 V双向TVS一方面对抗切换死区中二次开路产生的电压尖峰另一方面防止轻载时电压异常升高。迟滞开关由PMOS与NMOS组成。当储能电容电压上升到7.2 V时导通这步很显然是为了让大电容快速充电HT7533输入得电并输出3.3 V当电压下降到2.8 V时关断整机断电。迟滞区间4.4 V既保证HT7533有充足的输入输出压差又避免在阈值附近频繁通断。LDO输出端及各电源引脚均就近配置去耦电容以保证3.3 V轨的纹波与稳定度满足ADC参考电压的要求。四、无源偏置测量采样电路设计二次电流流过20Ω大功率采样电阻电阻两端分别记为V1与V2。为使单电源供电的ADC能够采集双极性交流信号在V2端构造无源偏置网络VCC3.3 V经47 kΩ电阻接至V2V2再经47 kΩ电阻接地两只电阻相等使V2的静态直流工作点为VCC/21.65 V。VCC端的47 kΩ电阻上并接一只去耦滤波电容GND端的47 kΩ电阻上并接一只独石电容到地以提高偏置网络的抗干扰能力。V1端经47 kΩ限流电阻接至PA15ADC1通道0。由于47 kΩ远大于采样电阻20Ω偏置网络对交流信号的分流影响可以忽略不会明显影响测量结果。五、充电与测量支路的继电器切换电路设计由于取能与测量共用同一二次绕组两条支路必须互斥工作。本设计采用光控固态继电器实现切换AQY412为常闭型控制充电支路驱动端接PA7AQY212为常开型控制测量支路驱动端接PA9。两路LED均串联470Ω限流电阻后接入3.3 V。六、软件流程图系统框图原理图PCB实物大体图七、总结这个只是第一次的大体想法先发出来和大家一起探讨一下要怎么做后续会继续更新一些新的想法和设计。对于本题还有负载的切换、蓝牙具体的信息传输、信息存储没有做完或者没有展示出来对于启动电流、测量精度还有工作时间算是比较模糊的这些地方还有更多设计空间。当然本题是结合了当今社会发展的一个低功耗方向后续肯定还会继续向这个方向发展应该也会影响到就业也许会扩展出更多的工作岗位部分内容由AI辅助生成个人观点仅供参考