單相用電器分析監(jiān)測(cè)裝置

1、2017年TI杯江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目：?jiǎn)蜗嘤秒娖鞣治霰O(jiān)測(cè)裝置摘要本設(shè)計(jì)是單相用電器分析監(jiān)測(cè)裝置， 主要由測(cè)量模塊， 控制模塊， 顯示模塊， 電源模塊，通訊模塊組成。其中測(cè)量模塊采用RN8209實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓，電流的測(cè)量與數(shù)據(jù)的送出，顯示模塊采用1.44寸TFTLCD液晶顯示屏，通訊模塊是藍(lán)牙通 訊,并通過控制模塊STM32F103C8T協(xié)調(diào)全部芯片工作，能實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功 率和功率因素的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。關(guān)鍵字：STM32單片機(jī)；LCD液晶顯示；藍(lán)牙通訊目錄1. 系統(tǒng)方案 11.1 主控芯片方案的比較與選擇 11.2 測(cè)量系統(tǒng)方案的比較與選擇 11.3 通訊系統(tǒng)方案的比較與選擇 22 系統(tǒng)

2、結(jié)構(gòu)與工作原理 22.1 系統(tǒng)總體原理框圖 22.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì) 32.2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì) 32.2.2 發(fā)送端和接收端模塊設(shè)計(jì) 32.2.3 通訊模塊設(shè)計(jì) 43 競(jìng)賽工作環(huán)境條件 53.1 設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境 53.2 儀器設(shè)備硬件平臺(tái) 54 測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果 54.1 測(cè)試方案 54.2 測(cè)試結(jié)果及分析 55 作品成效總結(jié)分析 66 參考資料 6單相用電器分析監(jiān)測(cè)裝置（K題）【本科組】1.系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、測(cè)量模塊、顯示模塊、通訊模塊，電源模 塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1.1主控芯片方案的比較與選擇方案一：采用STC89C5單片機(jī)STC89C5是一種微控制器

3、，具有低功耗，高性能的特點(diǎn)，具有在系統(tǒng)可編 程（ISP）特性，再配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載到單片機(jī)內(nèi) 部，而且速度快，但是STC89C5只有一個(gè)串口，不符合發(fā)送與接收兩個(gè)串口的 要求。方案二：采用STM32單片機(jī)STM32系列都可滿足高性能、低成本、低功耗的要求。 STM32單片機(jī)程序具有模塊 化的特點(diǎn)，因所以其接口相對(duì)簡(jiǎn)單些，又因它自身帶好多功能，工作速度也就快, 而且STM32具有兩個(gè)串口，符合設(shè)計(jì)要求。具有精密性，可靠性，安全性。綜合比較上述方案，考慮到設(shè)計(jì)方案工作原理，方案二更適合于本設(shè)計(jì)。1.2測(cè)量系統(tǒng)方案的比較與選擇方案一：采用ADE7755ADE7755屬于高準(zhǔn)

4、確度電能計(jì)量集成電路,它可以將有功功率的信息以頻率 的形式輸出，對(duì)溫度的敏感度很低。同時(shí)ADE7755只在ADCffi基準(zhǔn)源中使用模擬 電路，其他所有信號(hào)處理都使用數(shù)字電路，所以能保持極高的準(zhǔn)確度及長(zhǎng)期穩(wěn)定 性。方案二：采用RN8209RN8209不僅能夠應(yīng)用于有功功率、無功功率、有功能量、無功能量的測(cè)量，并能可以同時(shí)提供兩路獨(dú)立的有功功率和有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等，可以實(shí)現(xiàn)靈活的防竊電方案。綜合比較上述方案，考慮到 RN8209勺功能更強(qiáng)，所以選擇方案二。1.3通訊系統(tǒng)方案的比較與選擇方案一：采用 RS232接 口RS232接口是全雙工數(shù)據(jù)通訊模式，其數(shù)據(jù)的收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，可

5、保證數(shù) 據(jù)收發(fā)的不沖突，硬件上是通過方向切換來實(shí)現(xiàn)的，但是RS232具有傳輸距離有 限，傳輸速率較低的缺點(diǎn)。方案二：采用 RS485接 口RS485的接口信號(hào)電平比RS232低，這就避免了接口電路芯片的損壞，且該 電平與TTL電平兼容，方便與TTL電路連接。RS485接 口是半雙工數(shù)據(jù)通訊模式 所以其傳輸距離比RS232的傳輸距離遠(yuǎn)得多.數(shù)據(jù)最高傳輸速率也可以達(dá)到10Mbps綜合比較上述方案，方案二更適合本次設(shè)計(jì)要求。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理2.1系統(tǒng)總體原理框圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，每個(gè)模塊在整個(gè)硬件系統(tǒng)中承擔(dān)著一定的作 用。其中RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)了 STM32單片機(jī)與測(cè)量模塊的通信。

6、當(dāng)測(cè)量模塊輸入數(shù)據(jù)時(shí)，STM32單片機(jī)就將數(shù)據(jù)通過RS485通信模塊送出。測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)同 樣能通過RS485模塊下傳給單片機(jī)，然后通過藍(lán)牙通訊將接受的數(shù)據(jù)具體的顯示 在LCD液晶顯示屏上。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)2.2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)測(cè)量模塊由RN8209對(duì)電壓，火線電流及零線電流的采樣，并對(duì)功率, 能量進(jìn)行測(cè)量。圖2測(cè)量模塊原理圖2.2.2 發(fā)送端和接收端模塊設(shè)計(jì)發(fā)送端如圖3所示，首先給采集模塊發(fā)送特定的數(shù)據(jù)包，若接收成功， 則通過藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)包，若接收失敗，則返回接收端。接收端如圖4所示，首先對(duì)接收的文件初始化，之后讀取并處理數(shù)據(jù)。 接著若按下學(xué)習(xí)鍵，則讀取數(shù)據(jù)并判斷是

7、1-7鍵哪個(gè)鍵按下，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)空間中，若停止按鍵，則返回判斷位置；如繼續(xù)，則讀取數(shù)據(jù)并處理 判斷。如果沒有按下學(xué)習(xí)鍵， 則進(jìn)入預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)， 若有預(yù)設(shè)，則存儲(chǔ)A,B.GD 數(shù)據(jù)；若沒有，讀取數(shù)據(jù)并判斷具體電器，通過按鍵檢測(cè)，判斷按下1-7哪個(gè)數(shù)，之后將總體情況顯示在總體界面上，并返回到讀取數(shù)據(jù)端。開始Y圖4接收端流程圖圖3發(fā)送端流程圖2.2.3通訊模塊設(shè)計(jì)圖5 RS485通訊模塊原理圖STM32采用TTL電平，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量模塊與CPU實(shí)現(xiàn)通信需要設(shè)計(jì)一款485轉(zhuǎn)TTL電路。RS485是采用差分信號(hào)邏輯，接口信號(hào)低，不易損壞接口 電路的芯片，且 RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪

8、聲 干擾性好，能采用半雙工的工作模式。3競(jìng)賽工作環(huán)境條件3.1等。3.2設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境設(shè)計(jì)過程中主要使用的軟件有：microsoft visio 、Altium Designer儀器設(shè)備硬件平臺(tái)測(cè)試所使用的儀器設(shè)備有：萬用表。4測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果4.1測(cè)試方案首先用microsoft visio畫出系統(tǒng)總體的流程圖，接著利用AltiumDesig ner畫出各個(gè)硬件部分的原理圖，然后參照流程圖，將各個(gè)硬件部分焊接在通用板上，用萬用表檢測(cè)各部分，確保無虛焊、漏焊且各引腳連接正確。 將程序?qū)隨TM32單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行總體性能指標(biāo)的測(cè)量，調(diào)整電路或代碼。4.2 測(cè)試結(jié)果及分析首先按下初始化鍵，接著按下學(xué)習(xí)鍵。若按下鍵 1,則存儲(chǔ)在A區(qū)，若按下 鍵2,則存儲(chǔ)在B區(qū)，以此類推。然后記錄LCD液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)。記錄數(shù)據(jù) 如表格1。測(cè)試次數(shù)功率/W電流/mA電壓N功率因數(shù)128233023122330.56435212330.51547302330.40459382330.950611472330.5417185683222331.000從上表測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，測(cè)得值符合題目要求。5作品成效總結(jié)分析綜合上述測(cè)試結(jié)果，本設(shè)計(jì)完成了題目基本部分的要求。