《基于STM32 的多功能电力仪表的设计与实现》16000字

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII基于STM32目录摘要 2第一章绪论 1 1 2 2 3第二章总设计构思原理 42.1 4 4 4第三章多功能电力仪表的硬件设计 5 5 5 6 7RS485 8 9 10 11 11第四章多功能电力仪表的软件设计 14 144.1所示： 154.2 154.3 164.4RS485 18第五章仪表测试结果与分析 20 20 22第六章总结与展望 24 24 25附录 29摘要仪表，有效且快速地对电力参数进行测量而且能够对电力质量进行监测并分析。STSTM32F4XX系列单片机，其片内资源丰富与接口都使其能该模块也叫真彩液晶显示器；RS485MODBUS与上位机间的mod-bus关键词：电力参数，谐波分析，电力仪表，STM32，FFTPAGEPAGE1第一章绪论的清洁能源，因此太阳能、风能、水能等无污染能源得到青睐[1]如下：新型得电力资源是清洁资源，不仅可以减少对其他不可再生资源的使用，如煤炭、石油等有利于将新型清洁能源的发电设施接入电网和能源的梯度获取；准确全面的测量并能满足成本要求的测量装置成了必须解决的问题[5]。得益于科技的进步，电力仪表的应用越来越广泛，功能也越加完善，同时用户对其测量数据的精确度要求也越来越高，电力检测装置不仅需要测量基本电力参数，还需要检测电网中存在的谐波分量[6]。谐波的存在会影响电网中的供电质量与用电装置的使用寿命，其影响如下：谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加，此外谐波还\h长时间振动会造成金属疲劳和机械损坏谐波对线路的主要危害是会引起附加损耗；些绝缘组件而言会降低其使用寿命[8]。电网中谐波的存在会将整个电力系统的稳定和安全影响，因此想要检测并采取相应的解决措施解决这类问题，需要一款能够测量基本电力数据还能够检测高次谐波的电力装置。本设计根据需要设计一套能够解决实际问题的可行方案：采用了STM32F407作为主处理器外加信号调理电路来完成对电力质量检测与分析。现在，由于中国的电力电子技术起步较晚，国内所研发的电力装置相对而言比较落后，51单片机。然而这种结构的电力仪表大都运行速度缓慢、功能PD194E-2S7电能质量分析仪，其5123[10]国产电力仪表设计技术上仍存在的不足之处有：设备配置性能单一，对操作环境有一定的限制；微处理器的运行速度慢，存储器容量又小，难以实现实时处理大量数据；需要计算机现场检测分析，设备成本被提高了；分析干扰与辨识故障的能力有限，没有智能分析的功能；用户操作人机交互界面不方便；与国内的研究现状相比，国外在电力仪表方面的技术已经比较成熟而且有了F43B型电力仪表48次以上的谐波[13]。除此之外STM32F4题的设计有如下几个部分：数据的存储部分，数据的显示模块、通信接口、谐波分析以及完成硬件电路设计。虑后选择使用比较普遍的快速傅里叶变化算法来计算谐波分量。将装置测量的数据与标准电力仪表测量的数据进行比较，确定精度。PAGEPAGE20第二章总设计构思原理2.1[24]的快速傅里叶变换算法，为后面的硬件电路设计及谐波分析奠定了理论基础。本章主要研究了系统的程序设计部分，主要包括系统主程序、采样子程序、采样数据处理子程序以及通讯接口发送接收数据子程序，详细介绍了方案中重要的数据采集和处理部分，并给出了相关的软件设计流程框图。0.5级的精度要求，因此能够在实际测量中应用第三章多功能电力仪表的硬件设计3.1所示：表3.1智能电表技术指标电压（V）电流（A）频率(Hz)相位功率输入/测量范围300-5000.02-12045-650-360/最大允许误差±0.02%±0.02%±0.02%±0.02%±0.02%三相电力仪表功率等级为：有功功率的精度等级为：0.2s级、0.5s级、1级；无功功率的精度等级:2级。电表测量功能要求电力仪表要能在湿度≤95%的情况下正常运行；63.0kPa-106.0kPa的大气压力条件下正常运行；电力仪表能够发出指令来控制外部元器件；可以通过电力仪表计算所需要的电力参数，例如有功功率、无功功率、功率因数；能够测量并分析高次谐波，还能判断出装置输出功率的稳定性；此系统最初设计需要保证的要求是：电力仪表不只能进行现场操作还能对其远程操控；能够测量所有基本的电力参数并且符合国家规定的精度要求；人机友好交互界面；能够测量多次的高次谐波特性；能够远程发送数据同时内部也能存储电力参数；能够使用蓝牙无线通信与报警器输出；为了能够完整的完成设计，对系统进行了硬件资料查阅与整理验证，最后决定的设计方案如图3-1所示：图3.1系统的硬件总体设计arm系列控制芯片，可以利用该芯片来实现数据的处理以及指令控制的输出。AD这种方案既能达到精度上电能表的需求，又能符合本设计所要求的价格低廉。黑白屏的单一，让显示界面能够显示出更多的数据和图案。析的电力情况留下了备份。根据系统的总体设计出结构框架设计的系统硬件电路原理图全如附录所示。MCU的台[26]。为了满足设计所需的要求，此系统选用了STM32F407系列的单片机作为主处理器，Cortex-M4STM32F407在168MHz1M192KB的SRAM[27]168MHz的时钟下，芯片内部从闪存到执行具体代码只要36ma32位处理器中能将功耗降到最低的产品了，所以它在低功耗这一方面表现可谓是出类拔萃。STM32F407ZET6使用了高性能的ARMCORTEX-M4RISC内核[28]，作为32位的168MHz的（192KB1MB的闪存1442立的看门狗定时器、2PWM定时器、1216位通用定时器、232位定时器、24312ADC161us2DMA16CPUCPU进行映射[29]。ADAD模数转换器ADCADCCPU能处理数字信息[30]。体参数如下：电压互感器MP1072mA2m0.20.2；角差≤45o[30]。电流互感器MC10252.5mA0.20.2；角差≤20o[31]。其采样电路有如图3.2和图3.3所示。从互感器的左侧输入输入信号，互感器将输入信号耦合至二次侧之后输出了交流小信号，这时的信号存在负值，可由于单片机的模数转换器只采集正电压，所以需要再将信号被偏置电路抬升到此单片机可测的范围内。通过观察此互感器的原理图可以看出，在它的二次侧有1.2V的抬升电路，通过提升电路将交流信号处理在单片机可测量的范围内，最后用阻容低通滤波器对它进行处理后再传递给ADC采集端口。图3.2电压互感器工作原理图 图3.3电流互感器工作原理图RS485RS485的特点包含：-(2-6)V026V表示为逻辑1RS232TTL电平兼容，可以使其TTL电路相连接。1035Mbps1200m100Kbps.抗干扰能力较强。RS485抗共模濨扰能力提高，这意味着它具有很强的抗噪声抗干扰能力。能远距离传输，可支持节点多。RS485总线因为其最长传输距离能够在1200m（速率100bps32485芯片的节点最多甚至可以支持到400个。STM32F4SP34853.3V供电，有输出短路保3210Mbps3.4图3.4SP3485硬件接口图3.4A、B为485总线进行连接。RO、DI分别为接收数据输出端与发送数据收入端，REDE。设计外部通讯的接口电路，主要是利用上位机的串行口同下位机通讯的方式，完成上位机和下位机之间的数据通讯，实现计算机现场监测和控制电力仪表使用状况。ALIENTEK生成的一款主从一体蓝牙串口模5V3.3V。模块本身具有一个模式指示灯：STA。此灯具有3种模式，分别为：在将模块上电的同时,把y接入到高电平，此时SA慢闪（1秒亮138400.ySA（1秒2次Key将会双闪（2下，2秒闪一次3.5所示：PAGEPAGE30图3.5蓝牙硬件原理图ISL1208，此32.768KhzISL1208/具有独立的电源D切换至。S1208的硬件电路图如图3.6所示：图3.6ISL1208硬件电路图24C02[35]24C024kbit的非易失性内存，它提供的数据能够长时间保证它的可靠性。接口传I2C3.7所示：图3.724C02硬件原理图如下是24C02存储器的引脚说明：SDA驱动，所以需要再加上拉电阻。SCL同步时钟信号端。存取处理；在接高电平时，内部的数据由于被保护，故不能够对其做任何操作。VCC与GND：分别接入+3.3V和PCB的地端。与无缘TN-LCDSTN-LCD的简单TFT扫描线数无法影响到显示液晶屏的静态特性，因此很大程度上提升了图像质量[36]。也称为真彩液晶显示器。此模块的特点：电容触摸屏，支持同时触摸5点；超高分辨率（800*480，无需其他的驱动器，内置驱动装置、单片机直驱；（3）支持16位色（65000色）显示；（4）不需要额外加高压，板载背光电路；此模块电路图如图3.8所示：：图3.8TFT_LCD接口电路3.8所示161681680个线：CS：TFTLCD芯片选择信号；WRTFTLCDRDTFTLCD读取数据；D[15:0]:16位双向数据线；TFTLCD；RS：命令/数据标志；I/O220VI/OCMOSNPNPNP合是唯一能打开继电器的组合。4KEY0-KEY3KEY_UP的分别连接至MCU3.9所示：图3.9按键接口电路图最终设计出的硬件图正好组成了一个长方体，不但能够保证电表结构的稳定性，而且能够减少电表占据的空间，如附录所示。第四章多功能电力仪表的软件设计四个电压输入端口，三个电流输入端口。通过输入端485可以多次测量谐波分量，并且进行电网中对电力质量谐波的分析。此设计中主处理器的作用如下：先对自身的资源模块初始化，再对外设进行初始化；277.7usAD转换，并存储结果数据。电气量；7FFT高次谐波的幅值和相位角度；24C02芯片中。RS485通信接口传输到上位机；扫描按键，有按键输入时给予响应；更新显示的数据，采用液晶显示屏将测量的数据进行显示。277.7us采集一次数据。在数据传输面的程序。20ms就要进行一次运算。而谐波分析需要分析大量的数据，因此选用采集7个周期的数据进行运算分析。因此这两部分很耗CPU资源。系统主程序流程图如图所示：图4.1系统主程序流程图采样子程序指的是整个程序中数据采集的部分，当采集到的数据符合数据处理的条件，则对采集到的数据进行算法分析处理，若是不满足所设定的条件，则主程序跳出该ADDMA32次的高次谐波，需要64723.6KHz277.7us277.7us进DMA4.2所示：图4.2系统采样子程序流程图277.7us，也就是一个周期采集72个信号的时间为20ms，设置定时器中断响应为277.7us，因为需要发生中断进入中断程序才能对数据进行采集，因此需要将其优先级设置为第一优先级。这样不会出现采集到的数据不是对应时刻的信号[38]。ADC，然后将转换后的数据通过DMACPUAD4.3所示：图4.3系统的周期数据处理流程图2FFT4.4所示:图4.4系统谐波分量数据处理流程图RS485STM32F4与手机通过蓝牙之间的通信，其通信方式遵循自定义的通信协议，采用中RS485MODBUS4.5所示。Mod-Bus运行情况，而且可以发送指令让其做出相应的动作。图4.5上位机数据通信流程图Mod-BusCRCCRC校验码，而接收端在接CRCCRCCRC校验码一致，说明此次数据传送正确，若是不一致则为失败放弃此次接收到的数据。CRC16位，因此16位。其工作原理为在位数为MPAGEPAGE40LML(ML,M)(ML,ML的H(x)可由H(x)产生M位的校验信息码。第五章仪表测试结果与分析在完成硬件与软件设计后，需要标准三相信号源发生器提供被测信号，选用信号发生器主要技术指标如下：015A/45A40A/120A；精度0.2分辨率1mA；电压输出也为两部分，直流部分与交流部分，直流部分：0-120V/四相或者0-480V/0120V/四相或者0480V/四相串联；精度0.2，分辨率0.001V；（3）相位变化：0-360，误差<0.2,角度分辨率：0.1；（4）基波频率：20-1000HZ；谐波次数：1-20次。仪表的主要技术指标如下所示：（1）0--5.5A2倍/21.2倍；（2）测量范围：0-520V、0-5A、25-100Hz；（3）精度：0.2%；RS485串行接口，MODBUS协议；生产日期：20172月将信号源输出的三路电压信号与三路电流信号分别连接到电压互感器与电流互感ADC因素等基本电气量的测量，此外对谐波分量也进行了测量。电压有效值的测量220V左右，在实验测量中在该电[150V，200V，220V，240V。因为本设计所设计的为三相多功能电表，因此电压分有A、B、C三相电压。而对于实验测量而言，测量三相电压的原理相同，其测量精度基本无差别，因此选择三相电压中的一相电压测量结果来进行对比分析。其误差的计算公式为：相对误差=(绝对误差/仪表测量值）*100%[40]，绝对误差指的是误差偏离真实值。其测量结果如表6.1所示:表6.1电压有效值的实验结果与误差施加值（V）标准测量值（V）实际测量值（V）相对误差5049.949.60.60100100.1100.30.20150149.8149.50.20220219.8219.60.09240239.8239.50.12电流有效值测量电流的测量与电压测量一样，A、B、C三相电流选取其中一相来观察与分析实验结果。电流选取在1A、2A、3A、4A、5A时的测量结果。相对误差=(绝对误差/仪表测量值）*100%，绝对误差指的是误差偏离真实值。下表为电流有效值实验结果如表6.2所示：表6.2电流有效值的实验结果与误差施加值（A）标准测量值（A）实际测量值（A）误差（%）10.9980.9970.1021.9991.9960.05033.0013.0030.06643.9973.9950.05055.0025.0040.040基本电气量测量A220V，电流560o=(对误差/仪表测量值）*100%6.3示：表6.3基本电气量的实验结果与误差施加值标准测量值实际测量值UA220V219.8219.60.09IA5A5.0025.0040.040P0.5500.5480.5460.36Q0.9520.9470.9450.21S1.11.0981.0960.18PF0.50.4960.4940.40u(t)0(f0t)2(7*f0t)3(1*f0t)5(5*f0t)FFT6.4所示：表6.4谐波分量的测试结果与误差实际频率50350550750测量频率49.33351.74554.47751.34设定值210235设计测量值209.4232.1482.7045.013上位机谐波分析界面如图5.2所示：图5.2谐波分析界面图5.2用户可以在分析界面上监视功率计测量的功率参数。同时，您可以使用按钮更改要显示的参数，例如电流谐波，电压谐波，谐波数量，直流分量和谐波含量。通过该界面，用户可以在后台直观地观察电源设备的工作状况。综合实验结果和各种功能测试，可以实现本系统设计的功能，并达到最初的设计目标。数据传输和显示符合要求，人机交互良好。三相多功能电表的设计符合已建立的误差标准，因此该设计完成了三相电表初始设计的预期目标。第六章总结与展望STM32液晶的智多ARM4STM32F407AD转换器将其转换成数字信号，结果一样可以达到预期。此设计中设计的仪表具有四个按钮，用于人机与主机的交互。不设计更多具有引用功能的按钮的原因：一方面，它符合简单操作的初衷，另一方面，它可以节省主处理器。硬件接口。信号预处理电路的运算放大器模块与芯片自身的模数转换相结合，以获取所需的初始信号，并通过算法对数据进行处理和分析，以获得所需的电压和电流以及其他基本信息。功率参数；此外，通过学习谐波处理，按照世界上先进的算法，FFT分析算法最终用于计算和分析谐波分量；在满足香农定理的前提下设置足够高的频率，并使用插值和开窗算法来弥补由于断点值而引起的缺失点，以减少围栏效应和信号泄漏，不仅要确保测量的准确性数据，还可以满足智能电表的最基本功能。为了进行通讯，已选择RS485接口和Mod总线协议来满足电表设计要求。RS485使用SP3485作为收发器，以确保数据传输的准确性。485接口广泛用于串行通信。Mod-Bus协议广泛用于串行通信中，具有很大的兼容性优势，并且广泛用于工业控制中。两者的结合足以满足智能电表远程数据传输的要求。蓝牙传输使用了ATK-HC05模块，该模块具有相对较长的无线传输距离，并且可以在人类无法使用的工作环境中通过蓝牙持续监控电表的运行。数据显示接口使用液晶显示模块，该模块可以显示尽可能多的数据，并可以根据客户需要显示汉字和更改颜色，从而增强了人机界面。根据实际的操作，设计的基本功能与最终的测试结果达到预期的目标，但还有很多地方有欠缺可以改进：在谐波分量的处理中，线性插值和加窗用于数据预处理，以减少围栏效应和信号泄漏，但精度会存在偏差，并且可以选择更好的处理算法。例如，小波变换算法可以使计算出的谐波相位角更准确，但是由于考虑了主芯片的实际处理能力，因此可以在以后升级产品时尝试使用。这是一款符合程序设计要求的产品。尽管它仍然存在着许多的不足，但伴随着电子行业的持续且快速的发展，以及未来更多人才的投入，未来的谐波多功能电表将不仅需要更多的包容性，还会需要研发多种通信接口的方案来满足对智能配电系统以及我们自动化不断增长的需求。配电系统和工业自动化系统，它们会具有愈发强大的电能质量分析功能以及电能测量和控制设备的未来发展趋势。参考文献[1.[J].201,3311-14.[2]刘真亚.中国电力与能源[M].北京：中国电力出版社，201218-44.中国科学院“构建符合中国国情的智能电网”咨询项目工作组.中国只能电网的技术和发展[M].北京：科学出版社，2013,15-28.中国能源中长期发展战略研究项目组.中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究，综合卷[M].北京：中国科学出版社，2011,24-29.国家电网.200982日颁布《单相智能电表型式规范》.国家电网.200982日颁布《三相智能电表（光纤）技术规范》.景柏豪.沈孟良.AN-ModCP[J].203,3（5：1552-1556.宋保业.无线传感器网络关键技术研究[D].山东：青岛科技大学，2008.李加升.AN[J].200,26：8-87.[10]李振峰.中美欧智能电网比较.20100430-31.IsaoTakahashi,ToshihikoNoguchi.Anewresponeseandhigh-efficiencycontrolstrategyofanmotor[J].IEEETransonIndAppl,1986,22(5):820-827.Depenbrock M.Direct self-control(DSC) of inverterfed machine[J].IEEE Trans PE,1998,3(4):420-429.JAINSGUPTAHO.Fuzzylogiccontrolledshuntactivepowerfilterforpowerqualityimprovement.IEEEPro.-Electr.PowerAppl[J],2015,149(5):317-328.候启方.DSP的电力参数测试仪研究[D].成都：西南交通大学，2007..电力参数自动监测与远程传输系统[J].福州大学学报(自然科学版32(6)：698-701.胡元海.TMS320F2812的电力参数测试仪的设计与实现[D].南京：南京信息工程大学，2008.刘锋.Mod-Bus的现场总线控制系统研巧与设计[D].重庆：重庆大学文，2015.詹根基.Mod-Bus总线多功能电力仪表远程通讯的软件开发技术[M.od-us[J].20031731-34，57.于海生.锁相同步采样谐波测量方法及其实现[J].电测与仪表,1999，36(2)：12-14.李月恒，项鹏，孙德辉.LinuxCANModbus通信实现[J].计算机测量与控制，2014.19(7):1708-1714..T[J].201,2712：27-277.FUSHENGZ,ZHONGXINGG,WEIThealgorithmofinterpolatingwindowedFFTforharmonicanalysisofelectricpowersystem.IEEETransactionsonPowerDelivery[J].2001,(2):160-164.JIANGTAOX.Anewalgorithmforimprovingtheaccuracyofperiodicsignalanalysis[C].IEEETransonIM.1996,(8):827-830.LZRRYG,PRASANTAK.Ghosh.ActivePowerMeasurementinNonsinusoidalEnvironments.PowerSystem[C].IEEETransactionson.2000:114-1147.陈冬，徐文立，夏遂华.液晶显示多层菜单结构的软件设计[J].电气传动，2001，(4)：56-59.毛明荣，王绮红.CS5460A构成的单相电能表现场校验仪[J].微型电脑应用，2002，18(2)：25-26.门洪，闰浩，梁志珊.DSPTSC型无功补偿控制器和配变监测仪的研制[J].东北电力学院学报，2001，(12)：110~114.邱公伟.实时控制与智能仪表多微机系统的通信技术[M].1996.156-160．李红伟.基于的电力系统谐波检测的研究[D].成都：西南交通大学，2010.HABROUKEI,DAR