基于STM32的多功能电能表的设计毕业设计

*自动化学院本科毕业设计（论文）题 目 ： 基于 STM32 的多功能电能表的设计专业： 自动化 班级：自动化 111 学号： * 学生姓名： * 指导教师： * 起止日期： 2015.22015.6 设计地点： Graduation Design (Thesis)The Design of Three-phase Multi-functional Power Meter Based on STM32By*Supervised byProf. *School of Automation *June, 2015*自动化学院本科毕业设计（论文）I摘 要电能表作为测量电能的工具，是连接电力用户和电能之间的一座“桥梁”，随着电能在人们生活中的地位越来越重要，它与人们生活之间的联系也更加地紧密。虽然电能表也在不断地发展，但是局限于功能单一，传统的电能表已经满足不了用户对其越来越高的要求。本文采用 STM32F103RC 型号的微控制器作为主控芯片， 设计了一款实用性强、结构简单的多功能电能表。在设计电能表硬件和软件的过程中，都采用了模块化的设计思想。其中，多功能电能表的硬件部分主要包括主控模块、电源转换模块、电压电流采样模块、EEPROM 存储模块、LCD 段码显示模块、按键输入模块和RS485 通讯接口模块。并且利用软件编译平台 MDK 进行了软件部分的设计，主要包括主程序、系统初始化程序、电量处理程序、键盘中断程序以及 LCD 段码显示程序。本文最后完成了多功能电能表的系统调试，对经过采样和调理得到的电压、电流信号进行计算，并完成显示，而且通过按键的选择实现了显示屏的切换，基本实现了多功能定能表的预期功能。关键词：电能表；STM32F103；段码 LCD；RS485*自动化学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTElectricity meter connects a “bridge“ between power users and power that used as a kind of measurement tool. The link between it and the peoples lives more to close with the power position in peoples lives increasingly important. While the meter is constantly evolving, but limited to a single function, the conventional meters has failed to meet the growing demands of its users.In this paper, using the type microcontroller of STM32F103RC as the master chip, designed a practical, simple structure of multi-function meter. In the process of the design of meter in hardware and software, have adopted a modular design thinking. Among them, the hardware part of the multi-function meter includes control module, power conversion modules, voltage and current sampling module, EEPROM memory module, LCD segment display module, a key input module and RS485 communication interface module. And using software platform MDK designs the software part, including the main program, the system initialization procedure, power handler program, a keyboard interrupt program and LCD segment display program.Finally completed the system debugging of the multi-function meter, the voltage and current signals obtained through sampling and conditioning were calculated, and complete the display, but also through the select button to switch the display . The basic realization of the multi-function will be able to watch the intended function.Key words: Power Meter; STM32F103; segment LCD；RS485*自动化学院本科毕业设计（论文）III目 录第一章 绪论 .11.1 电能表 .11.1.1 电能表的概念 .11.1.2 电能表的发展 .11.1.3 电能表的发展现状 .21.2 多功能电能表 .31.2.1 多功能电能表的现状 .31.2.2 多功能电能表存在的问题 .31.3 电能表的发展前景 .41.4 课题研究背景及内容 .41.4.1 课题研究背景 .41.4.2 课题研究内容 .4第二章 多功能电能表硬件设计 .62.1 整体方案设计 .62.2 主控芯片的选择 .62.2.1 STM32F 芯片简介 .72.2.2 STM32F 芯片优势 .72.3 硬件电路设计 .72.3.1 主控电路设计 .72.3.2 采样电路设计 .102.3.3 按键显示电路设计 .122.3.4 RS485 通讯电路设计 .132.3.5 存储电路设计 .142.4 本章小结 .15第三章 多功能电能表软件设计 .163.1 软件设计 .163.1.1 软件开发平台 MDK.163.1.2 软件设计流程 .163.2 主程序设计 .17*自动化学院本科毕业设计（论文）IV3.3 初始化子程序设计 .183.4 采样程序设计 .203.5 计量程序设计 .213.5.1 计量算法的介绍 .213.5.2 ADC 数据转换原理 .223.5.3 计量算法程序设计 .233.6 显示程序设计 .233.7 按键处理程序设计 .243.8 本章小结 .25第四章 系统测试及实验 .264.1 采样电路模块测试 .264.1.1 采样电路仿真测试 .264.1.2 采样电路测试 .284.2 ADC 模块调试 .294.3 显示模块调试 .304.4 本章小结 .31第五章 总结与展望 .325.1 工作总结 .325.2 展望 .33致谢 .34参考文献 .35附录 A：硬件设计原理图与 PCB 图 .37南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 电能表1.1.1 电能表的概念从概念上来说，电能表就是用来计算一段时间内消耗电量值的专用仪表，通常也被叫做电度表和火表。电能表根据其他差异的方面也可以被划分到不同的范畴，比如按照使用途径进行分类，就可以将其分为单相电能表、有功电能表以及多功能电能表等等。此外还可以按照电能表的工作原理、接入电源的性质以及接入的相线数来进行仔细的分类。1.1.2 电能表的发展随着科技的快速进步，电能表在不断地更新换代，以应对人们对于功能和性能越来越高的要求。总结其发展的脚步，大致可以概括如下：(1) 感应式电能表在人们还没开始对于交流电进行开发和应用的时期，第一台直流电能表就被科学家利用电解原理发明出来。尽管其测量精度不尽人意，并且只能局限于测量直流电，但是对于推动电能计量表的发展而言，意义重大。在人们掌握了交流电利用方法后，科学家们就依照旋转磁场理论发明出了用于计量交流电量的感应式电能表。由于感应式电能表具有较为简单的结构，制造成本低，安全性高，寿命长久，易于维修等特点，因而得到了普遍的应用。并且在接下来的很长时间里，人们都致力于感应式电能表性能和功能的完善。但是，随着现代电力系统的不断发展，高次谐波的出现对传统感应式电能表提出了挑战。在高次谐波的影响下，感应式电能表的优点被“淡化”，原先“隐藏”在暗处的缺点得以放大。不仅测量精度和测量频率不能满足现代工业的要求，而且由于感应式电能表制作原理的局限性，功耗问题已经变成一个不容忽视的事实。功能单一的感应式电能表渐渐被现代工业和现代的电力用户所“抛弃”。(2) 机电式电能表在人们对电能表功能和性能要求不断提高的情况下，发现可以将电子电路应用到感应式电能表，保持制作的基本工作原理不变，使得感应式电能表功能得到进一步的改善，创造出机电式电能表。机电式的电能表又常常因为它的工作原理被称为脉冲式的电能表，它是利用机体发出电脉冲，依据光电转化原理进行工作，从而完南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）2成电能测量的。机电式电能表在传统感应式电能表的基础上进行了改进，突破了原先存在的部分局限性，使用寿命延长，抗干扰能力进一步加强。但是由于其制作和利用的工作原理及理论在本质上与感应式电能表一致，因而仍然没有办法克服测量频率范围窄、测量精度不足的缺点。但是机电式电能表的出现和应用，激发了人们创造全电子式电能表的动力，并且提供了新的思路。(3) 电子式电能表电子式电能表的发明得益于功率测量原理，这个原理是由日本科学家首先提出，并且很快就将其应用到实践中。由于电子式电能表是在机电式电能表提出旋转结构的基础上得以实现的，因而又被叫做静止式电能表。由于制作和工作原理得到了改进，电子式电能表能够突破以往电能表的很多局限之处。测量精度得到了大幅度的提高，寿命进一步延长，测量的频率范围已经从开始的窄频带得到了很大的拓展，可以实现几千赫兹的频率跨度。同时，对于高次谐波的抗干扰能力得到了大幅度的提高，高功耗问题也得到了一定的解决，迎合了现代工业的要求，因而电子式电能表很快就取代了其他的电能表，在全球范围内都得到了广泛的应用，并且性能在不断地得到改善。全球科技竞争愈演愈烈，电力电子技术以及通讯技术“全面开花”，科技越发达，电能表的性能越优越。如今，电子式电能表有了更长久的寿命，更精巧的外形，更精确的测量精度，更强大的抗干扰能力。实用电能表向功能多元化发展前进是不可逆转的一个大趋势。1.1.3 电能表的发展现状由于发展中国家和发达国家的科技发展水平不同，电子式电能表在发达国家的应用更为普遍。日本早在上个世纪 70 年代就首先研制出电子式电能表，欧美发达国家更是紧跟其后不断研制出性能更加完善的电子式电能表，并且仅仅用了十年的发展时间，就推出了性能优越、功能完善的全电子式多功能电能表。现在的事实就是，工业发达的国家在电能表市场上占据了绝对性的不可撼动的位置。中国作为一个发展中国家，由于经济和科技的双重原因，在电能表的自主研发领域起步较晚。直到上个世纪 90 年代，我国自主研发电能表的事业才真正起步。近年来，我国创新意识被唤醒，科技得到快速的发展。能够自主研制电能表的企业，无论是在数目上还是在技术上都有了质的飞跃，在技术的改进与创新的过程中，已经出现了少数可以在技术和口碑都领先于国际水平的企业。但是从整体角度出发，我国的科技创新水平还是落后于发达国家和工业发达的西方国家，在电能表的研制方面还要做出更多的努力和创新。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）31.2 多功能电能表1.2.1 多功能电能表的现状激烈的市场经济下，电能表只有不断地改进和完善工作性能才能立足。单一功能的电能表早已不能满足市场和用户的需求，为了适应市场的发展、用户的期望，多功能电能表很快就被创造出来并得到应用。从功能上讲，多功能电能表就是指除基本电压、电流等电量的测量、有功和无功功率的计量外,还应具有分时、通讯等两种以上的功能,并且还要具有存储、显示、传递数据以及和上位机之间进行通讯的功能。多功能电能表在我国起步较晚，近几年才开始有了长足的进步。另外我国地域广阔，南北、东西经济发展水平差距大，在一些经济发达的主干城市已经开始普及多功能电能表。但是在经济较为落后的农村仍然沿用传统的单一功能的电能表，负责抄表的工作人员工作强度大、工作量多，并且工作效率低，特别在外部环境恶劣的情况下。这就迫切要求制作电能表的厂商应该从实际出发，研制出更加实用方便的多功能电能表，加大多功能电能表普及的力度。1.2.2 多功能电能表存在的问题尽管，我国大城市已经在普遍使用多功能电能表，但是仍然存在一些问题。（1）成本高。多功能电能表使用方便，但是对于用户来说价格却偏高。随着功能的进一步扩展，制作成本也在不断抬升，销售价格随着制作成“水涨船高”。成本对于电能表生产商是一个负担，而价格更是电力用户考虑的因素。过高的制造成本使得制作商“望而却步”，阻碍了厂商扩展多功能电能表生产规模的决策，不利于产品在市场上的大规模推广。近几年，由于电力电子器件的发展，制作成本不断下降，成本的问题也会慢慢地得到解决。（2）安全性。多功能电能表需要实现的功能较多，传输的数据相应增多，如今市场自由竞争激烈，信息的安全性尤为重要。这对于传输数据的通信方式是一个严峻的考验。为了保障电力用户的利益，防窃电技术也将成为将来电能表发展的一种重要的技术支持。（3）灵活性差。多功能电能表早就宣称已经朝着智能化和网络化的方向发展，但是智能化也只不过是人们事先将“预见”的可能事件写入程序，不断地进行实时的检测，当发现此类事件发生时才会做出相应的响应，并“自行处理”出现的问题，排除潜在的危险。当出现人们无法预知的事件发生时，“有大脑”的电能表也就无能为力，失去抵抗的能力。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）41.3 电能表的发展前景电子技术的迅速发展，拉动了信息通讯、传感器等技术的发展。快速发展的技术在满足了电力用户各种期望的同时，也使得其对于电能仪表的要求越来越高，这就要求电能表要在精度、可靠度、便捷性方面有进一步新的改进。未来多功能电能表的发展方向大致就是高精度化、高可靠性化、网络化和智能化。(1) 高精度。精度是评判电能表功能好坏的重要指标，精度的高低直接影响到电能表反馈信息的准确性。市场上大量流通的电能表的精度一般都位于 0.2S 的水平。在日程生活中，电能表是要作为测量电能的工具发挥作用的，需要