为Arduino构建隔离模拟输入电路

元件与物料

元件	数量	规格/备注
100kΩ 电阻	2	±1% 金属膜
Arduino UNO	1
LM331 电压-频率转换器	1	核心隔离元件
LM7808 稳压器	1	8V 输出供现场侧
3.3kΩ / 270Ω / 47Ω / 12kΩ / 6.8kΩ / 10kΩ / 330Ω / 220Ω 电阻	各1	±1% 金属膜
5kΩ 多圈精密电位器	1	校准用
100nF / 10nF / 1μF / 4.7μF / 220μF 电容	各1	Mylar/电解
1N4001 二极管	4	整流/保护
4N25 光耦隔离器	1	实现信号隔离传输

必备工具

电烙铁

应用与服务

Arduino IDE

项目原理

现场传感器信号常受电涌、雷击、EMI 干扰及地电位差影响。彻底解决的方法是**完全隔离**现场侧与控制侧，这需要现场侧独立供电。

本电路采用 **LM331** 将输入电压/电流转换为频率信号，经 **4N25 光耦** 隔离传输至 Arduino 数字引脚，再由 Arduino 测量频率还原模拟量。详细设计见博客：ardupiclab.blogspot.it。

输入范围与接线

电压输入：约 20mV ~ 5V（经分压）；
电流输入：4~20mA（接入跳线 W1，并联 R2/R3 约 250Ω 满量程对应 1~5V）；
Arduino 侧仅需 3 根线：光耦集电极接 D5（配 2.2kΩ 上拉至 5V）、光耦发射极接 GND、现场侧地与 Arduino 地**不连接**；
若需 10V 量程，将 7808 换为 7815，变压器 T1 次级电压/功率相应提升；
调节电位器 P1 使转换系数约 1 kHz/V。

Arduino 频率测量两种方式

脉宽法：两次 pulseIn() 分别测高/低电平宽度求和得周期。分辨率低（微秒级），易受 50/60Hz 工频干扰，但响应快；
频率计数法（推荐）：用 Timer/Counter 硬件计数，配合 FreqCounter 库（Martin Nawrath）。选 1000ms 门控时间（50/60Hz 整数倍周期），抗工频干扰极强，分辨率比脉宽法高 5 倍。

示例代码

#include 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Optoisolated analog input");
}
long int frq;
void loop() {
  FreqCounter::f_comp = 0;
  FreqCounter::start(1000); // 1000ms 门控
  while (FreqCounter::f_ready == 0);
  frq = FreqCounter::f_freq;
  Serial.println(frq);
  delay(100);
}

库下载：FreqCounter_1_12.zip

原理图

电路接受 20mV~5V 电压或 4~20mA 电流输入（接入 W1）。R2/R3 并联约 250Ω 实现电流转电压。光耦输出接 Arduino D5 加 2.2kΩ 上拉。若扩展至 10V 量程，需将 7808 换 7815 并相应调整变压器 T1。P1 调节使输出频率约 1kHz/V。

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制造工艺

3D打印

自动化控制系统

工业技术