基于STM32的多功能電能表的設(shè)計(jì)(畢業(yè)設(shè)計(jì))

****************自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕題目：基于STM32的多功能電能表的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：自動(dòng)化111學(xué)號(hào)：**********學(xué)生姓名：******指導(dǎo)教師：************起止日期：2023.2～2023.6設(shè)計(jì)地點(diǎn)：GraduationDesign(Thesis)TheDesignofThree-phaseMulti-functionalPowerMeterBasedonSTM32By**********SupervisedbyProf.******SchoolofAutomation*******************June,2023摘要電能表作為測(cè)量電能的工具，是連接電力用戶(hù)和電能之間的一座“橋梁〞，隨著電能在人們生活中的地位越來(lái)越重要，它與人們生活之間的聯(lián)系也更加地緊密。雖然電能表也在不斷地開(kāi)展，但是局限于功能單一，傳統(tǒng)的電能表已經(jīng)滿(mǎn)足不了用戶(hù)對(duì)其越來(lái)越高的要求。本文采用STM32F103RC型號(hào)的微控制器作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款實(shí)用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多功能電能表。在設(shè)計(jì)電能表硬件和軟件的過(guò)程中，都采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。其中，多功能電能表的硬件局部主要包括主控模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、電壓電流采樣模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊、LCD段碼顯示模塊、按鍵輸入模塊和RS485通訊接口模塊。并且利用軟件編譯平臺(tái)MDK進(jìn)行了軟件局部的設(shè)計(jì)，主要包括主程序、系統(tǒng)初始化程序、電量處理程序、鍵盤(pán)中斷程序以及LCD段碼顯示程序。本文最后完成了多功能電能表的系統(tǒng)調(diào)試，對(duì)經(jīng)過(guò)采樣和調(diào)理得到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并完成顯示，而且通過(guò)按鍵的選擇實(shí)現(xiàn)了顯示屏的切換，根本實(shí)現(xiàn)了多功能定能表的預(yù)期功能。關(guān)鍵詞：電能表；STM32F103；段碼LCD；RS485ABSTRACTElectricitymeterconnectsa"bridge"betweenpowerusersandpowerthatusedasakindofmeasurementtool.Thelinkbetweenitandthepeople'slivesmoretoclosewiththepowerpositioninpeople'slivesincreasinglyimportant.Whilethemeterisconstantlyevolving,butlimitedtoasinglefunction,theconventionalmetershasfailedtomeetthegrowingdemandsofitsusers.Inthispaper,usingthetypemicrocontrollerofSTM32F103RCasthemasterchip,designedapractical,simplestructureofmulti-functionmeter.Intheprocessofthedesignofmeterinhardwareandsoftware,haveadoptedamodulardesignthinking.Amongthem,thehardwarepartofthemulti-functionmeterincludescontrolmodule,powerconversionmodules,voltageandcurrentsamplingmodule,EEPROMmemorymodule,LCDsegmentdisplaymodule,akeyinputmoduleandRS485communicationinterfacemodule.AndusingsoftwareplatformMDKdesignsthesoftwarepart,includingthemainprogram,thesysteminitializationprocedure,powerhandlerprogram,akeyboardinterruptprogramandLCDsegmentdisplayprogram.Finallycompletedthesystemdebuggingofthemulti-functionmeter,thevoltageandcurrentsignalsobtainedthroughsamplingandconditioningwerecalculated,andcompletethedisplay,butalsothroughtheselectbuttontoswitchthedisplay.Thebasicrealizationofthemulti-functionwillbeabletowatchtheintendedfunction.Keywords:PowerMeter;STM32F103;segmentLCD；RS485目錄第一章緒論11.1電能表1電能表的概念1電能表的開(kāi)展11.1.3電能表的開(kāi)展現(xiàn)狀21.2多功能電能表3多功能電能表的現(xiàn)狀3多功能電能表存在的問(wèn)題31.3電能表的開(kāi)展前景41.4課題研究背景及內(nèi)容4課題研究背景4課題研究?jī)?nèi)容4第二章多功能電能表硬件設(shè)計(jì)62.1整體方案設(shè)計(jì)62.2主控芯片的選擇62.2.1STM32F芯片簡(jiǎn)介72.2.2STM32F芯片優(yōu)勢(shì)72.3硬件電路設(shè)計(jì)72.3.1主控電路設(shè)計(jì)72.3.2采樣電路設(shè)計(jì)102.3.3按鍵顯示電路設(shè)計(jì)122.3.4RS485通訊電路設(shè)計(jì)132.3.5存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)142.4本章小結(jié)15第三章多功能電能表軟件設(shè)計(jì)163.1軟件設(shè)計(jì)163.1.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)MDK163.1.2軟件設(shè)計(jì)流程163.2主程序設(shè)計(jì)173.3初始化子程序設(shè)計(jì)183.4采樣程序設(shè)計(jì)203.5計(jì)量程序設(shè)計(jì)213.5.1計(jì)量算法的介紹213.5.2ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理223.5.3計(jì)量算法程序設(shè)計(jì)233.6顯示程序設(shè)計(jì)233.7按鍵處理程序設(shè)計(jì)243.8本章小結(jié)25第四章系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)264.1采樣電路模塊測(cè)試264.1.1采樣電路仿真測(cè)試264.1.2采樣電路測(cè)試284.2ADC模塊調(diào)試294.3顯示模塊調(diào)試304.4本章小結(jié)31第五章總結(jié)與展望325.1工作總結(jié)325.2展望33致謝34參考文獻(xiàn)35附錄A：硬件設(shè)計(jì)原理圖與PCB圖37第一章緒論1.1電能表電能表的概念從概念上來(lái)說(shuō)，電能表就是用來(lái)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)消耗電量值的專(zhuān)用儀表，通常也被叫做電度表和火表。電能表根據(jù)其他差異的方面也可以被劃分到不同的范疇，比方按照使用途徑進(jìn)行分類(lèi)，就可以將其分為單相電能表、有功電能表以及多功能電能表等等。此外還可以按照電能表的工作原理、接入電源的性質(zhì)以及接入的相線(xiàn)數(shù)來(lái)進(jìn)行仔細(xì)的分類(lèi)。電能表的開(kāi)展隨著科技的快速進(jìn)步，電能表在不斷地更新?lián)Q代，以應(yīng)對(duì)人們對(duì)于功能和性能越來(lái)越高的要求?？偨Y(jié)其開(kāi)展的腳步，大致可以概括如下：(1)感應(yīng)式電能表在人們還沒(méi)開(kāi)始對(duì)于交流電進(jìn)行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的時(shí)期，第一臺(tái)直流電能表就被科學(xué)家利用電解原理創(chuàng)造出來(lái)。盡管其測(cè)量精度不盡人意，并且只能局限于測(cè)量直流電，但是對(duì)于推動(dòng)電能計(jì)量表的開(kāi)展而言，意義重大。在人們掌握了交流電利用方法后，科學(xué)家們就依照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論創(chuàng)造出了用于計(jì)量交流電量的感應(yīng)式電能表。由于感應(yīng)式電能表具有較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，制造本錢(qián)低，平安性高，壽命長(zhǎng)久，易于維修等特點(diǎn)，因而得到了普遍的應(yīng)用。并且在接下來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間里，人們都致力于感應(yīng)式電能表性能和功能的完善。但是，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的不斷開(kāi)展，高次諧波的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表提出了挑戰(zhàn)。在高次諧波的影響下，感應(yīng)式電能表的優(yōu)點(diǎn)被“淡化〞，原先“隱藏〞在暗處的缺點(diǎn)得以放大。不僅測(cè)量精度和測(cè)量頻率不能滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)的要求，而且由于感應(yīng)式電能表制作原理的局限性，功耗問(wèn)題已經(jīng)變成一個(gè)不容無(wú)視的事實(shí)。功能單一的感應(yīng)式電能表漸漸被現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代的電力用戶(hù)所“拋棄〞。(2)機(jī)電式電能表在人們對(duì)電能表功能和性能要求不斷提高的情況下，發(fā)現(xiàn)可以將電子電路應(yīng)用到感應(yīng)式電能表，保持制作的根本工作原理不變，使得感應(yīng)式電能表功能得到進(jìn)一步的改善，創(chuàng)造出機(jī)電式電能表。機(jī)電式的電能表又常常因?yàn)樗墓ぷ髟肀环Q(chēng)為脈沖式的電能表，它是利用機(jī)體發(fā)出電脈沖，依據(jù)光電轉(zhuǎn)化原理進(jìn)行工作，從而完成電能測(cè)量的。機(jī)電式電能表在傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表的根底上進(jìn)行了改良，突破了原先存在的局部局限性，使用壽命延長(zhǎng)，抗干擾能力進(jìn)一步加強(qiáng)。但是由于其制作和利用的工作原理及理論在本質(zhì)上與感應(yīng)式電能表一致，因而仍然沒(méi)有方法克服測(cè)量頻率范圍窄、測(cè)量精度缺乏的缺點(diǎn)。但是機(jī)電式電能表的出現(xiàn)和應(yīng)用，激發(fā)了人們創(chuàng)造全電子式電能表的動(dòng)力，并且提供了新的思路。(3)電子式電能表電子式電能表的創(chuàng)造得益于功率測(cè)量原理，這個(gè)原理是由日本科學(xué)家首先提出，并且很快就將其應(yīng)用到實(shí)踐中。由于電子式電能表是在機(jī)電式電能表提出旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的根底上得以實(shí)現(xiàn)的，因而又被叫做靜止式電能表。由于制作和工作原理得到了改良，電子式電能表能夠突破以往電能表的很多局限之處。測(cè)量精度得到了大幅度的提高，壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)，測(cè)量的頻率范圍已經(jīng)從開(kāi)始的窄頻帶得到了很大的拓展，可以實(shí)現(xiàn)幾千赫茲的頻率跨度。同時(shí)，對(duì)于高次諧波的抗干擾能力得到了大幅度的提高，高功耗問(wèn)題也得到了一定的解決，迎合了現(xiàn)代工業(yè)的要求，因而電子式電能表很快就取代了其他的電能表，在全球范圍內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用，并且性能在不斷地得到改善。全球科技競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，電力電子技術(shù)以及通訊技術(shù)“全面開(kāi)花〞，科技越興旺，電能表的性能越優(yōu)越。如今，電子式電能表有了更長(zhǎng)久的壽命，更精巧的外形，更精確的測(cè)量精度，更強(qiáng)大的抗干擾能力。實(shí)用電能表向功能多元化開(kāi)展前進(jìn)是不可逆轉(zhuǎn)的一個(gè)大趨勢(shì)。1.1.3電能表的開(kāi)展現(xiàn)狀由于開(kāi)展中國(guó)家和興旺國(guó)家的科技開(kāi)展水平不同，電子式電能表在興旺國(guó)家的應(yīng)用更為普遍。日本早在上個(gè)世紀(jì)70年代就首先研制出電子式電能表，歐美興旺國(guó)家更是緊跟其后不斷研制出性能更加完善的電子式電能表，并且僅僅用了十年的開(kāi)展時(shí)間，就推出了性能優(yōu)越、功能完善的全電子式多功能電能表?，F(xiàn)在的事實(shí)就是，工業(yè)興旺的國(guó)家在電能表市場(chǎng)上占據(jù)了絕對(duì)性的不可撼動(dòng)的位置。中國(guó)作為一個(gè)開(kāi)展中國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)和科技的雙重原因，在電能表的自主研發(fā)領(lǐng)域起步較晚。直到上個(gè)世紀(jì)90年代，我國(guó)自主研發(fā)電能表的事業(yè)才真正起步。近年來(lái)，我國(guó)創(chuàng)新意識(shí)被喚醒，科技得到快速的開(kāi)展。能夠自主研制電能表的企業(yè)，無(wú)論是在數(shù)目上還是在技術(shù)上都有了質(zhì)的飛躍，在技術(shù)的改良與創(chuàng)新的過(guò)程中，已經(jīng)出現(xiàn)了少數(shù)可以在技術(shù)和口碑都領(lǐng)先于國(guó)際水平的企業(yè)。但是從整體角度出發(fā)，我國(guó)的科技創(chuàng)新水平還是落后于興旺國(guó)家和工業(yè)興旺的西方國(guó)家，在電能表的研制方面還要做出更多的努力和創(chuàng)新。1.2多功能電能表多功能電能表的現(xiàn)狀劇烈的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，電能表只有不斷地改良和完善工作性能才能立足。單一功能的電能表早已不能滿(mǎn)足市場(chǎng)和用戶(hù)的需求，為了適應(yīng)市場(chǎng)的開(kāi)展、用戶(hù)的期望，多功能電能表很快就被創(chuàng)造出來(lái)并得到應(yīng)用。從功能上講，多功能電能表就是指除根本電壓、電流等電量的測(cè)量、有功和無(wú)功功率的計(jì)量外,還應(yīng)具有分時(shí)、通訊等兩種以上的功能,并且還要具有存儲(chǔ)、顯示、傳遞數(shù)據(jù)以及和上位機(jī)之間進(jìn)行通訊的功能。多功能電能表在我國(guó)起步較晚，近幾年才開(kāi)始有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。另外我國(guó)地域廣闊，南北、東西經(jīng)濟(jì)開(kāi)展水平差距大，在一些經(jīng)濟(jì)興旺的主干城市已經(jīng)開(kāi)始普及多功能電能表。但是在經(jīng)濟(jì)較為落后的農(nóng)村仍然沿用傳統(tǒng)的單一功能的電能表，負(fù)責(zé)抄表的工作人員工作強(qiáng)度大、工作量多，并且工作效率低，特別在外部環(huán)境惡劣的情況下。這就迫切要求制作電能表的廠商應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)，研制出更加實(shí)用方便的多功能電能表，加大多功能電能表普及的力度。多功能電能表存在的問(wèn)題盡管，我國(guó)大城市已經(jīng)在普遍使用多功能電能表，但是仍然存在一些問(wèn)題?！?〕本錢(qián)高。多功能電能表使用方便，但是對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)價(jià)格卻偏高。隨著功能的進(jìn)一步擴(kuò)展，制作本錢(qián)也在不斷抬升，銷(xiāo)售價(jià)格隨著制作成“水漲船高〞。本錢(qián)對(duì)于電能表生產(chǎn)商是一個(gè)負(fù)擔(dān)，而價(jià)格更是電力用戶(hù)考慮的因素。過(guò)高的制造本錢(qián)使得制作商“望而卻步〞，阻礙了廠商擴(kuò)展多功能電能表生產(chǎn)規(guī)模的決策，不利于產(chǎn)品在市場(chǎng)上的大規(guī)模推廣。近幾年，由于電力電子器件的開(kāi)展，制作本錢(qián)不斷下降，本錢(qián)的問(wèn)題也會(huì)慢慢地得到解決?！?〕平安性。多功能電能表需要實(shí)現(xiàn)的功能較多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相應(yīng)增多，如今市場(chǎng)自由競(jìng)爭(zhēng)劇烈，信息的平安性尤為重要。這對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)的通信方式是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了保障電力用戶(hù)的利益，防竊電技術(shù)也將成為將來(lái)電能表開(kāi)展的一種重要的技術(shù)支持?！?〕靈活性差。多功能電能表早就宣稱(chēng)已經(jīng)朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向開(kāi)展，但是智能化也只不過(guò)是人們事先將“預(yù)見(jiàn)〞的可能事件寫(xiě)入程序，不斷地進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)事件發(fā)生時(shí)才會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)，并“自行處理〞出現(xiàn)的問(wèn)題，排除潛在的危險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)人們無(wú)法預(yù)知的事件發(fā)生時(shí)，“有大腦〞的電能表也就無(wú)能為力，失去抵抗的能力。1.3電能表的開(kāi)展前景電子技術(shù)的迅速開(kāi)展，拉動(dòng)了信息通訊、傳感器等技術(shù)的開(kāi)展。快速開(kāi)展的技術(shù)在滿(mǎn)足了電力用戶(hù)各種期望的同時(shí)，也使得其對(duì)于電能儀表的要求越來(lái)越高，這就要求電能表要在精度、可靠度、便捷性方面有進(jìn)一步新的改良。未來(lái)多功能電能表的開(kāi)展方向大致就是高精度化、高可靠性化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。(1)高精度。精度是評(píng)判電能表功能好壞的重要指標(biāo)，精度的上下直接影響到電能表反應(yīng)信息的準(zhǔn)確性。市場(chǎng)上大量流通的電能表的精度一般都位于0.2S的水平。在日程生活中，電能表是要作為測(cè)量電能的工具發(fā)揮作用的，需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作。因而在不同的外界環(huán)境下、不同的電能頻率下，保持電能表測(cè)量精度的穩(wěn)定性也是十分重要的。(2)高可靠性。電子式電能表的制造主要基于電力電子器件，因而電力電子器件的性能直接影響甚至決定了電能表的性能。因而要保證和提高電能表的可靠性，就必須解決電力電子器件的可靠性問(wèn)題。電力電子器件的性能，將是攻破電能表在開(kāi)展過(guò)程中“瓶頸〞問(wèn)題的關(guān)鍵因素。多功能電能表正在朝著高精度、高平安性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向上開(kāi)展，關(guān)鍵的技術(shù)支持是必不可少的。這些技術(shù)主要有諧波測(cè)量技術(shù)，通訊技術(shù)，軟硬件冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，抗飽和技術(shù)和線(xiàn)性補(bǔ)償技術(shù)等。1.4課題研究背景及內(nèi)容課題研究背景社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展，帶動(dòng)電能的迅猛開(kāi)展；現(xiàn)如今電力系統(tǒng)的開(kāi)展又成為了國(guó)家經(jīng)濟(jì)開(kāi)展和國(guó)民生活質(zhì)量提高的決定性因素。作為測(cè)量電能的儀表，電能表的開(kāi)展就變成了關(guān)系國(guó)家百姓生活舒適度的一個(gè)重要的工具。高精度的三相多功能電能表的研制和應(yīng)用,是適應(yīng)時(shí)代開(kāi)展的重大工程，并且可以拉動(dòng)整個(gè)儀器儀表業(yè)的開(kāi)展，擁有不可估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研制功能強(qiáng)大、使用方便、功耗低的電能表也和國(guó)家建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型〞的社會(huì)理念相契合。課題研究?jī)?nèi)容本課題旨在從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多功能電能表。首先要了解電能表的工作原理和在國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展歷程，從工作原理出發(fā)分析電能表存在的優(yōu)缺點(diǎn)；然后依照本課題要實(shí)現(xiàn)的功能，從實(shí)現(xiàn)功能的可行性、可能性和使用方便性等方面進(jìn)行考慮，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)方案的選擇和論證。再依照模塊化思想的設(shè)計(jì)原那么，將整個(gè)硬件設(shè)計(jì)方案分解為主控模塊、顯示和按鍵模塊、電流電壓采樣模塊以及RS485通訊接口模塊等模塊進(jìn)行單獨(dú)地設(shè)計(jì)，最后通過(guò)連線(xiàn)將不同的板子進(jìn)行整合，建立各個(gè)電路板之間的聯(lián)系，完成整個(gè)課題的硬件局部設(shè)計(jì)。同時(shí)要對(duì)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行認(rèn)真地了解，同樣采用模塊化的思想，編寫(xiě)各個(gè)模塊的軟件程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的預(yù)期功能。最后進(jìn)行軟硬件局部之間的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，就及時(shí)地解決問(wèn)題，不斷地完善軟件的程序設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)。最終完成整個(gè)課題的設(shè)計(jì)工作。第二章多功能電能表硬件設(shè)計(jì)2.1整體方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的三相多功能電能表的硬件，在整體結(jié)構(gòu)上主要由主控模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、電流電壓采樣調(diào)理模塊、LCD段碼顯示模塊、RS485通訊接口模塊、按鍵輸出模塊以及EEPROM存儲(chǔ)模塊組成。其中系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖本文中主控芯片采用型號(hào)為STM32F103RC的微控制器，在保證電流、電壓采樣精度的前提下，使得結(jié)構(gòu)盡可能的簡(jiǎn)潔，防止了復(fù)雜多變的電路布局，更加方便PCB板的制作，并且本錢(qián)較為低廉。其中，在采樣調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中，采用電流互感器進(jìn)行電流信號(hào)的采樣，而電壓采樣局部使用高精度電阻分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采樣設(shè)計(jì)。2.2主控芯片的選擇在設(shè)計(jì)多功能電能表的過(guò)程中，確定主控芯片時(shí)，一般有兩種選擇方案。片上系統(tǒng)SoC往往會(huì)成為設(shè)計(jì)者的選擇，這是一種專(zhuān)用的電能計(jì)量芯片，內(nèi)部集成了CPU和一系列電能計(jì)量的功能模塊，自行對(duì)采集到的電量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算，軟件設(shè)計(jì)局部簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但是片上系統(tǒng)Soc價(jià)格昂貴，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)的本錢(qián)大增，因而這種片上系統(tǒng)不適用本課題進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選擇使用型號(hào)為STM32F103RC的微控制器作為主控芯片，其中電量計(jì)算的任務(wù)需要在軟件里完成，雖然加大了軟件編程的難度，但是在很大程度上控制了課題的設(shè)計(jì)本錢(qián)，并且該型號(hào)的芯片也具有一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)。2.2.1STM32F芯片簡(jiǎn)介基于ARM7和ARM9內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計(jì)是微控制器開(kāi)展的一個(gè)典型趨勢(shì)，2006年第一個(gè)基于ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32由意法半導(dǎo)體〔STMicroelectronics,簡(jiǎn)稱(chēng)ST〕推出。Cortex系列主要擁有3個(gè)不同的分支，分別是A分支，R分支和M分支。STM32隸屬于M分支，屬于微控制器系列產(chǎn)品，同時(shí)在結(jié)構(gòu)組成上STM32也分為根本型和增強(qiáng)型兩個(gè)不同的版本。其中STM32的根本型外掛的設(shè)備數(shù)目少，最高只能承受36MHz的時(shí)鐘頻率,而增強(qiáng)型的STM32擁有完整的外部設(shè)備，同時(shí)CPU可以在最高72MHz的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行2.2.2STM32F芯片優(yōu)勢(shì)最初研制STM32系列的微控制器就是以提高系統(tǒng)的性能和降低工作時(shí)的功率損耗為目標(biāo)的，STM32的出現(xiàn)是微控制器領(lǐng)域的一個(gè)新的飛躍，與以往的微控制器相比擬，具有突出的優(yōu)越性。(1)精密性。STM32是比擬高端的一種微控制器，集中分布著完備的外設(shè)，布局精巧，器件放置緊密且不失獨(dú)特性。比方STM32具有兩個(gè)12位高精度的ADC轉(zhuǎn)換器，并且在一定的條件下可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作，衍生出多種轉(zhuǎn)換模式，功能強(qiáng)大。(2)可靠性。STM32的外設(shè)布局越來(lái)越精密，但是對(duì)于可靠性的要求并沒(méi)有因此降低。為了在外掛的器件越來(lái)越多的情況下，依舊能夠保持高可靠性，STM32配備充足的硬件電路，主要包括低電壓監(jiān)測(cè)器、時(shí)鐘管理器和看門(mén)狗等。比方時(shí)鐘管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)外部時(shí)鐘的工作，一旦外部時(shí)鐘源發(fā)生問(wèn)題，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將內(nèi)部振蕩器切換為主時(shí)鐘源。(3)平安性。信息時(shí)代，最為劇烈的就是信息競(jìng)爭(zhēng)，確保信息在傳遞過(guò)程中的保密性，是實(shí)現(xiàn)信息平安的必要步驟。一旦數(shù)據(jù)中包含的信息泄露，整個(gè)信息的傳遞就沒(méi)有繼續(xù)下去的意義。STM32可以通過(guò)鎖定Flash引腳來(lái)確保信息不會(huì)泄露和被竊取，一旦出現(xiàn)想要獲取芯片內(nèi)部信息的行為，引腳狀態(tài)就會(huì)被拉高，STM32會(huì)自動(dòng)去除芯片內(nèi)部信息。從而最終確保信息的平安性。(4)在線(xiàn)調(diào)試。STM32支持Thumb-2指令，可以在C語(yǔ)言環(huán)境下完成軟件的編譯、仿真和調(diào)試。在軟件平臺(tái)上編寫(xiě)的程序可以通過(guò)下載口，下載到STM32芯片內(nèi)部，進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試，方便實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并進(jìn)行及時(shí)的修改，實(shí)用性強(qiáng)。2.3硬件電路設(shè)計(jì)2.3.1主控電路設(shè)計(jì)本課題以型號(hào)為STM32F103RC的微控制器作為主控芯片。要實(shí)現(xiàn)多功能電能表的預(yù)期功能，主控芯片必不可少，電量計(jì)量的任務(wù)、顯示和顯示屏切換的功能以及RS485的通訊功能都需要在主控芯片內(nèi)設(shè)計(jì)和進(jìn)行。STM32F103RC微控制器的最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源轉(zhuǎn)換電路和下載電路組成。其中，復(fù)位電路就負(fù)責(zé)主控芯片的初始化；時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，但是在本課題中，系統(tǒng)利用的是內(nèi)部時(shí)鐘，因而并沒(méi)有特意設(shè)計(jì)外部時(shí)鐘電路；電源轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)對(duì)給定的電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)源；下載端口是連接硬件和軟件的“橋梁〞，負(fù)責(zé)將編寫(xiě)的程序下載到制作好的電路板中，進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。其中主控芯片的原理圖，如圖2.2所示。圖2.2主控芯片原理圖STM32芯片自身攜帶內(nèi)部RC振蕩器，為芯片提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，本課題中采用的主控芯片屬于增強(qiáng)型的范疇，可以在72MHz的時(shí)鐘下運(yùn)行。但是內(nèi)部RC振蕩器的缺乏之處是：準(zhǔn)確性不夠，而且穩(wěn)定性不好，所以在設(shè)計(jì)時(shí)常采用外部的晶振時(shí)鐘源。通常情況下，外部時(shí)鐘源可以分為高速外部振蕩器、低速外部振蕩器和時(shí)鐘輸出。在本課題中，主控芯片選擇外接晶振電路，屬于高速外部振蕩器。該電路由C9、C10、Y1組成，由它為主控芯片提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。同時(shí)原理圖中分布的電容C8~C16存在的意義就是穩(wěn)定電源，使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高。因?yàn)镾TM32F103RC的引腳可以承受的最高電壓的范圍為2.0V~3.6V，一般情況下選擇+3.3V，因此需要對(duì)給定的電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本課題中，設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換電路采用的芯片型號(hào)是ASM1117-3.3，此電平轉(zhuǎn)換器件具有體積小、損耗低并且穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它最高可以輸出1A大小的電流，這一特性使得該芯片幾乎可以和全部的電子網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行匹配，因此得到了普遍的應(yīng)用。該系統(tǒng)中電源轉(zhuǎn)換電路的原理圖，如圖2.3所示。圖2.3電源轉(zhuǎn)換電路原理圖STM32F103RC型號(hào)的微控制器的驅(qū)動(dòng)電源為+3.3V，實(shí)際中可以提供的是+5V的直流電源，所以本電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)的功能就是將+5V的直流電源通過(guò)芯片AMS1117-3.3轉(zhuǎn)化為+3.3V的直流電源，實(shí)現(xiàn)為主控芯片進(jìn)行供電的功能。另一方面，電量計(jì)量單元作為多功能電能表的核心局部，計(jì)量的準(zhǔn)確度和精度將直接影響電能表最終功能實(shí)現(xiàn)的程度，所以在硬件電路的設(shè)計(jì)中一定要排除影響采樣和計(jì)量精度的內(nèi)外部因素。如圖2.3所示，數(shù)字地GNDD和模擬地GNDA采用磁珠來(lái)進(jìn)行連接，抑制電源線(xiàn)中涌動(dòng)的高頻噪聲和干擾信號(hào)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。同時(shí)設(shè)計(jì)由0.1μF和10μF電容組成的并聯(lián)電路，將該電路置于電路輸出端，具有濾波和穩(wěn)定電壓的作用，進(jìn)一步提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。STM32F10XX系列的單片機(jī)支持系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位、備份區(qū)域復(fù)位三種復(fù)位模式。STM32F103RC芯片同時(shí)具有內(nèi)部復(fù)位的功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到供電引腳上的電壓低于2V時(shí)，就會(huì)自動(dòng)復(fù)位，但是會(huì)存在遲滯問(wèn)題的局限性。故在進(jìn)行本課題的設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證平安性采用外部復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位，最小系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖2.4所示。圖2.4復(fù)位電路原理圖該復(fù)位電路屬于系統(tǒng)復(fù)位范疇的外部復(fù)位方式，當(dāng)送入芯片引腳NRST的信號(hào)為低電平時(shí)，芯片進(jìn)行復(fù)位。通常情況下，CPU在上電后需要處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并且經(jīng)歷短時(shí)間的復(fù)位后，芯片就要從這個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始工作，這項(xiàng)工作要由復(fù)位電路得以實(shí)現(xiàn)。如圖2.4的復(fù)位電路所示，阻值為10K的電阻R5使得流入主控芯片引腳的電流只有0.33mA，保證芯片的平安，防止了電流過(guò)大將芯片毀壞的情況發(fā)生。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，按下按鍵KEY_rst時(shí)，Reset處的信號(hào)被拉低，芯片引腳NRST信號(hào)為低，芯片復(fù)位；當(dāng)按鍵抬起時(shí)，Reset處的信號(hào)便會(huì)拉高，芯片引腳NRST信號(hào)為高，芯片不會(huì)復(fù)位。復(fù)位電路中的電容C17，有穩(wěn)定電路的作用，使電路性能更加的優(yōu)越。STM32支持不同的啟動(dòng)模式，并且在進(jìn)行軟硬件調(diào)試時(shí)離不開(kāi)下載端口，系統(tǒng)的啟動(dòng)模式和下載端口的電路原理圖如圖2.5所示。圖2.5啟動(dòng)模式和下載端口原理圖首先，STM32主控芯片具有不同的啟動(dòng)方式，啟動(dòng)模式由BOOT0和BOOT1的取值組合決定，不同的啟動(dòng)方式?jīng)Q定了主控芯片在進(jìn)行復(fù)位后，從某一特定區(qū)域開(kāi)始執(zhí)行系統(tǒng)程序。當(dāng)編程完成，電路板制作結(jié)束后，就可以對(duì)程序進(jìn)行下載，STM32支持的仿真和下載方式有兩種，分別為JTAG模式和SWD模式。其中，JTAG模式要用到5個(gè)I/O口，而SWD模式只要用到2個(gè)I/O口?？紤]到節(jié)省資源以及結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，本設(shè)計(jì)采用SWD模式進(jìn)行下載，下載端口只需要將2根線(xiàn)連到主控芯片，另外2根線(xiàn)連接到電源和地，這樣就可以進(jìn)行程序的下載。2.3.2采樣電路設(shè)計(jì)電量的采樣是實(shí)現(xiàn)電能表功能的關(guān)鍵技術(shù)，只有保證采樣的精度和準(zhǔn)確度才能確保電能表功能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。電流采樣調(diào)理原理圖如圖2.6所示。圖2.6電流采樣調(diào)理原理圖本課題采用電流互感器進(jìn)行大電流的采樣過(guò)程，之所以選擇電流互感器而不選擇采樣線(xiàn)性范圍比擬廣的電阻網(wǎng)絡(luò)取樣，是因?yàn)殡娮柙诮?jīng)歷過(guò)長(zhǎng)期工作后，阻值會(huì)受到溫度以及其他一些外部因素的影響而發(fā)生變化；而采用電流互感器的方案就可以保證在長(zhǎng)期工作條件下，其阻值穩(wěn)定性較好。圖2.6中的電流信號(hào)是取自電路中的大電流經(jīng)過(guò)電流互感器變換后產(chǎn)生的小電流信號(hào)。其中，經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路后得到的+3.3V直流電源，再經(jīng)過(guò)分壓電路后變成+1.65V，得到基準(zhǔn)電壓Vref，該信號(hào)用于抬升電流信號(hào)的基準(zhǔn)。采集到的小電流信號(hào)I經(jīng)過(guò)LM358的輸出信號(hào)的計(jì)算公式〔3-1〕為：Ua_c=Vref其中Vref為+1.65V，由于I的值是毫安等級(jí)的，所以從LM358端輸出的信號(hào)會(huì)處于0~+3.3V的電壓范圍內(nèi)，處于芯片可以承受的信號(hào)范圍內(nèi)，保證了芯片的平安性。圖中電容C1的作用就是濾除采樣點(diǎn)的干擾信號(hào)，穩(wěn)定由分壓電路得到的電壓信號(hào)，去除雜波信號(hào)；最終將經(jīng)過(guò)調(diào)理的采樣電流送進(jìn)STM32內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道口，之后的計(jì)量算法中，在減去基準(zhǔn)電壓的根底上，再進(jìn)行相應(yīng)電量計(jì)算的處理。涉及到算法選擇的局部，參照本論文軟件局部關(guān)于算法的詳細(xì)說(shuō)明。系統(tǒng)要處理的電壓信號(hào)屬于大電壓，如果直接將大的電壓接到芯片引腳上，很容易就會(huì)將芯片主板燒毀，造成損失。所以要對(duì)采樣得到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，這就需要電壓的調(diào)理電路，本篇論文運(yùn)用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電壓采樣調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，其中電壓采樣電路原理圖如圖2.7所示。圖2.7電壓采樣原理圖本課題中設(shè)計(jì)的電能表是三相多功能電能表，需要采集三相的電壓信號(hào)。以其中的A相電壓作為實(shí)例進(jìn)行闡述。如上圖2.7所示，A相電壓采樣電路〔以220V交流電為例〕中，電阻R10~R14是分壓電阻，阻值都為200K。其中采用多電阻串聯(lián)代替單個(gè)大電阻的原因主要有：防止產(chǎn)生大的電壓降，更好地保證電路的平安性；降低電阻在工作時(shí)承受的電壓大小，減小電阻工作時(shí)的功率，因此就可以選取小功率的電阻。R15為采樣電阻，阻值為2K，接在放大器的正向輸入端。同時(shí)將經(jīng)過(guò)分壓處理的基準(zhǔn)電壓接入放大器反向輸入端，從運(yùn)算放大器輸出端引出的信號(hào)就是要送入主控芯片引腳的電壓信號(hào)。其中A_v的計(jì)算公式〔3-2〕為：A_v=A_v信號(hào)類(lèi)似于經(jīng)過(guò)調(diào)理的電流信號(hào)，直接送到STM32F芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道口，進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后將基準(zhǔn)電壓1.65V減去后，按照制定的計(jì)量算法在軟件中進(jìn)行電量的計(jì)算。本分壓電路網(wǎng)絡(luò)中，用于分壓場(chǎng)合的電阻一般情況下阻值位于歐姆級(jí)和千歐姆級(jí)之間，采用的封裝也比擬小，不用擔(dān)憂(yōu)占據(jù)電路板太多的空間。同時(shí)通過(guò)阻值為200K的電阻的電流計(jì)算公式〔3-3〕為：I=Av-其中Av的最大值可以到達(dá)220×2≈311V，Vref為1.65V，那么通過(guò)200K分壓電阻的最大電流約為0.31mA，所以每個(gè)電阻承受的功率計(jì)算公式〔3-4P=I2×R≈0.02w〔可知只要選用四分之一功率的電阻即可。2.3.3按鍵顯示電路設(shè)計(jì)顯示模塊電路的作用就是將經(jīng)過(guò)采樣、調(diào)理和計(jì)算后得到的電流、電壓和功率在顯示屏上進(jìn)行顯示，因而顯示功能的完成是電能表功能實(shí)現(xiàn)的重要指標(biāo)；而按鍵電路的作用就是進(jìn)行顯示屏切換和變量的設(shè)置，其中，按鍵電路的原理圖如圖2.8所示。圖2.8按鍵電路原理圖本課題在進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)的過(guò)程中用到四個(gè)獨(dú)立按鍵，其中阻值為10K的電阻R1~R4，作為上拉電阻具有限流、保護(hù)電路的作用，而電容C3~C6的作用就是進(jìn)行按鍵抖動(dòng)的消除，抑制電路中的低頻干擾。其中K1鍵作為PageUp按鍵，進(jìn)行向上翻頁(yè)的動(dòng)作；K2鍵作為PageDown按鍵，進(jìn)行向下翻頁(yè)的動(dòng)作。K3和K4鍵作為預(yù)留的按鍵，用于以后的功能擴(kuò)展。按鍵功能屬于顯示模塊的拓展功能，顯示模塊的電路原理圖如圖2.9所示。圖2.9顯示電路原理圖在圖2.9顯示電路原理圖中，由10uF和0.1uF的電容組成的并聯(lián)電路的作用就是：穩(wěn)定電壓，消除存在的干擾信號(hào)，并聯(lián)的電容值存在倍數(shù)的差異，可以擴(kuò)大抑制的干擾信號(hào)的頻率寬度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。本課題采用了段碼LCD方式進(jìn)行顯示功能的設(shè)計(jì)，LCD段碼顯示方式由來(lái)已久，在液晶顯示屏應(yīng)用早期，段碼液晶的稱(chēng)呼就已興起，它的出現(xiàn)主要是為了替代LED數(shù)碼管，LED數(shù)碼管主要應(yīng)用于計(jì)算器、鐘表等簡(jiǎn)單的儀器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能易于實(shí)現(xiàn)。開(kāi)展至今，非點(diǎn)陣類(lèi)液晶顯示屏都被稱(chēng)為段碼液晶屏。段碼LCD顯示和LCD液晶顯示的主要區(qū)別就在于LCD液晶顯示利用點(diǎn)陣進(jìn)行編碼顯示，而LCD段碼顯示那么是以段碼的形式進(jìn)行編碼顯示。LCD段碼顯示屏一般可以采用HT1621系列的芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由顯示電路的電路圖可知，HT1621B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，和主控芯片的連線(xiàn)十分簡(jiǎn)潔，只需要將CS，WR，DATA幾個(gè)引腳連接到主控芯片即可。下載程序方便可靠，并且HT1621B內(nèi)部自帶節(jié)電程序，在很大程度上降低了功率的消耗。由本芯片驅(qū)動(dòng)的液晶屏顯示的主要內(nèi)容有電流有效值、電壓有效值、三相電的功率消耗情況。2.3.4RS485通訊電路設(shè)計(jì)RS485是一種雙向半雙工的通信協(xié)議，具有經(jīng)濟(jì)高效、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。通訊接口一般分為串行接口和并行接口，RS485接口隸屬于串行接口，在近距離傳輸數(shù)據(jù)領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，特別是在平常的工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用更加廣泛。本文采用MAX13085E低功耗收發(fā)器，該芯片內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器和接收器，其中驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)建立電氣特性電平和數(shù)字信號(hào)電平之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換。RS485通訊電路原理圖，如圖2.10所示。圖2.10RS485通訊電路原理圖圖2.10中的6N137是高速光耦合器芯片，用于電源和信號(hào)的隔離。該電路中采用獨(dú)立于主板的電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，使得電路的運(yùn)行更加的平安穩(wěn)定。MAX13085E的性能優(yōu)越，工作可靠，具有一個(gè)信號(hào)接收器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，為了保證芯片的抗干擾能力，在A、B端分別接有上拉電阻和下拉電阻，用來(lái)保護(hù)芯片的可靠運(yùn)行。當(dāng)RE端為低電平時(shí)，如果引腳端A-B≥-50mA，那么RO端為高，接收信號(hào)；反之，RO端為低，DI端為高，發(fā)送信號(hào)。其中RO為數(shù)據(jù)接收端，通過(guò)光耦合芯片6N137接到主控芯片的RXD引腳，DI為數(shù)據(jù)發(fā)送端，通過(guò)光耦合器接到主控芯片的TXD引腳，A、B端負(fù)責(zé)接收和發(fā)送總線(xiàn)上傳送需要進(jìn)行說(shuō)明的一點(diǎn)是，為了方便功能的擴(kuò)展和二次開(kāi)發(fā)，本課題在設(shè)計(jì)過(guò)程中只是預(yù)留了RS485的通訊接口。2.3.5存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)因?yàn)闄z測(cè)到的信號(hào)以及計(jì)算得到的數(shù)據(jù)都是以變量的形式儲(chǔ)存在STM32F的RAM區(qū)內(nèi)，而RAM又是掉電易失性的，一旦電能表在運(yùn)行的過(guò)程中失電，再次運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)就已喪失，所以必須設(shè)計(jì)外部存儲(chǔ)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。本課題選用24C02芯片進(jìn)行EEPROM存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，24C02在儀器儀表和工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛，主要得益于其具有電路簡(jiǎn)單，接口方便，占用面積少，掉電數(shù)據(jù)不喪失等特點(diǎn)。EEPROM存儲(chǔ)電路如圖2.11所示。圖中的電容C14的作用是穩(wěn)定電壓。圖2.11EEPROM存儲(chǔ)電路原理圖2.4本章小結(jié)本章進(jìn)行的介紹主要是圍繞多功能電能表硬件電路的設(shè)計(jì)。首先對(duì)課題的整體方案進(jìn)行介紹，并且針對(duì)所用的主控芯片的選擇進(jìn)行了論述，然后針對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大概的闡述，包括主控電路設(shè)計(jì)、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、采樣電路設(shè)計(jì)、顯示和按鍵電路設(shè)計(jì)、RS485通訊電路設(shè)計(jì)以及EEPROM存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)。并對(duì)其中幾個(gè)重要的電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。第三章多功能電能表軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)3.1.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)MDKKeilMDK是著名的軟件公司Keil研制并開(kāi)發(fā)的微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Keil公司是一家在微控制器〔MCU〕軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域地位卓越的國(guó)際公司，并且于2005年被ARM公司收購(gòu)，是目前針對(duì)ARM內(nèi)核單片機(jī)開(kāi)發(fā)的主流平臺(tái)產(chǎn)品。Keil提供了一整套完整的開(kāi)發(fā)方案，主要包括C語(yǔ)言編輯器、連接器、宏匯編、文件庫(kù)和一個(gè)功能強(qiáng)大的在線(xiàn)仿真調(diào)試器。這些功能通過(guò)uVision集成開(kāi)發(fā)環(huán)境被集結(jié)在一起，目前正在使用的最高版本就是uVision4，該平臺(tái)所依附的編譯界面和C語(yǔ)言研發(fā)平臺(tái)的界面比擬相似，界面環(huán)境設(shè)計(jì)人性化，易于初學(xué)者學(xué)習(xí)和應(yīng)用，更適合深一步的研究和開(kāi)發(fā)。不僅如此，在軟件在線(xiàn)調(diào)試和仿真方面功能也很強(qiáng)大。一般情況下，致力于ARM開(kāi)發(fā)的工程師都將此開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為首選。KeilMDK軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)周期和其他的一些軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的周期大同小異，一般包括以下幾個(gè)步驟：首先創(chuàng)立一個(gè)新的工程，選擇相應(yīng)的芯片型號(hào)，同時(shí)將創(chuàng)立工程所需要的固定配置提前設(shè)置好。編寫(xiě)工程源代碼，一般采用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言，在本課題中采用的是C語(yǔ)言。編譯程序，查找程序中的語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤。修改在編譯過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。編譯通過(guò)后，可以將程序下載到硬件開(kāi)發(fā)板中，進(jìn)行軟硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試。這就是利用MDK軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的主要周期。3.1.2軟件設(shè)計(jì)流程為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，改善系統(tǒng)的性能，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，也采用了模塊化的思路，本文中的軟件編程采用了調(diào)用固件庫(kù)函數(shù)的設(shè)計(jì)方法。不管使用的微處理器開(kāi)展到何種地步，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最終還是要對(duì)存放器進(jìn)行操作，但是STM32擁有數(shù)百個(gè)存放器，要想對(duì)每個(gè)存放器都了如指掌是及其困難的。調(diào)用固件庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編程就可以解決這個(gè)困難，STM32的固件庫(kù)就是函數(shù)的一種集合，固件庫(kù)函數(shù)的作用就是一方面負(fù)責(zé)直接與存放器建立聯(lián)系，另一方面為用戶(hù)提供函數(shù)調(diào)用的接口〔API〕。其中軟件整體的設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。圖3.1軟件整體設(shè)計(jì)框圖在設(shè)計(jì)多功能電能表的主控電路時(shí)，考慮到外部晶體振蕩器速率較低，能夠更好地保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，因而選用8MH的晶體振蕩器，同時(shí)在軟件中選用7倍頻的設(shè)置，很好地提高了系統(tǒng)處理程序的速度。3.2主程序設(shè)計(jì)軟件的主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)初始化、各個(gè)模塊的固件庫(kù)函數(shù)以及中斷函數(shù)的調(diào)用，其中主函數(shù)的流程圖如圖3.2所示。由圖3.2可知主程序的設(shè)計(jì)思路為：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊配置的初始化，設(shè)置100ms的定時(shí)刷新時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定時(shí)時(shí)間是否到達(dá)，如果定時(shí)時(shí)間到，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和保存；數(shù)據(jù)保存后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示屏刷新時(shí)間是否到達(dá)，如果刷新時(shí)間到，就進(jìn)行刷新顯示；同時(shí)，要不間斷地檢查是否有按鍵動(dòng)作或者是否需要進(jìn)行通信，只要檢測(cè)到有相應(yīng)事件發(fā)生，就立即進(jìn)入到相應(yīng)程序里，進(jìn)行處理。比方檢測(cè)到按鍵動(dòng)作就要轉(zhuǎn)入相應(yīng)的按鍵處理程序，進(jìn)行頁(yè)面切換的選擇；檢測(cè)到通信請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，就要轉(zhuǎn)入RS485通訊程序處進(jìn)行處理，在本課題中，下位機(jī)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的連接，同時(shí)為了功能的擴(kuò)展，預(yù)留了RS485的通訊接口，方便以后功能的二次拓展。圖3.2主程序流程圖3.3初始化子程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)行之前需要進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置、定時(shí)器的初始化、ADC初始化、GPIO口的配置、顯示初始化和鍵盤(pán)初始化?！?〕系統(tǒng)時(shí)鐘配置和定時(shí)器初始化：TIM_TimeBaseInitTypeDefTIMBaseStruct；TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//去除TIM2的中斷源；TIMBaseStruct.TIM_Period=12500;//1.25ms的采樣時(shí)間周期；TIMBaseStruct.TIM_Prescaler=72-1;//72分頻；TIMBaseStruct.TIM_ClockDivision=0;//未設(shè)置時(shí)鐘分割；TIMBaseStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//向上計(jì)數(shù)；RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);//掛接定時(shí)器2；TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIMBaseStruct)；TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE)；//使能定時(shí)器2；TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//使能TIM2；〔2〕ADC和GPIO初始化子程序：ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);//使能ADC1通道時(shí)鐘；RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//設(shè)置ADC分頻因子6，72M/6=12,ADC最大時(shí)間不能超過(guò)14M；GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6;//六路信號(hào)輸入；GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;//模擬輸入引腳；GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//選擇A通道管腳；ADC_DeInit(ADC1);//復(fù)位ADC1,將外設(shè)ADC1的全部存放器重設(shè)為缺省值；ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;//ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在獨(dú)立模式；ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE;//模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道模式；ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;//模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單次轉(zhuǎn)換模式；ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;//轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng)；ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //ADC數(shù)據(jù)右對(duì)齊；ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;//順序進(jìn)行規(guī)那么轉(zhuǎn)換ADC通道的數(shù)目；ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);//根據(jù)ADC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)ADCx的存放器；ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);//使能指定的ADC1；ADC_ResetCalibration(ADC1);//使能復(fù)位校準(zhǔn)；while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));//等待復(fù)位校準(zhǔn)結(jié)束；ADC_StartCalibration(ADC1);//開(kāi)啟AD校準(zhǔn)；while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//等待校準(zhǔn)結(jié)束；〔3〕顯示初始化程序：LCD_CS=1；LCD_DATA=0；LCD_WR=0；Init_HT1621()；〔4〕鍵盤(pán)初始化：GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure；RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE)；GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15；//鍵盤(pán)接在GPIOB12、B13、B14、B15管腳上；GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU；//上拉輸入；GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure)；3.4采樣程序設(shè)計(jì)本課題使用六路通道采樣，將通過(guò)硬件電路調(diào)理得到的信號(hào)送進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行處理，在程序執(zhí)行的過(guò)程中選擇中斷子程序調(diào)用的方式進(jìn)行A/D對(duì)信號(hào)的采集過(guò)程，其設(shè)計(jì)流程圖如圖3.3所示。圖3.3采樣流程圖ADC采樣程序：staticu8s_sampTim=0;g_volA[s_sampTim]=Get_Adc(ADC_Channel_1)*(3.3/4095)-1.65; //通道1，A相電壓；g_curA[s_sampTim]=Get_Adc(ADC_Channel_4)*(3.3/4095)-1.65; //通道4，A相電流；g_volB[s_sampTim]=Get_Adc(ADC_Channel_2)*(3.3/4095)-1.65; //通道2，B相電壓；g_curB[s_sampTim]=Get_Adc(ADC_Channel_5)*(3.3/4095)-1.65; //通道5，B相電流；g_volC[s_sampTim]=Get_Adc(ADC_Channel_3)*(3.3/4095)-1.65; //通道3，C相電壓；g_curC[s_sampTim]=Get_Adc(ADC_Channel_6)*(3.3/4095)-1.65;//通道6，C相電流；s_sampTim++;if(s_sampTim>=16) s_sampTim=0;本采樣程序中，一個(gè)周期進(jìn)行16組的數(shù)據(jù)采樣，每次得到最新一組的采樣數(shù)據(jù)時(shí)，就替換掉數(shù)組中最原始的那組數(shù)據(jù)，保證進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)是最新的16組采樣數(shù)據(jù)。上述程序完成了六路信號(hào)的采樣。程序中減去1.65的原因是在設(shè)計(jì)采樣的硬件電路時(shí)，抬高了調(diào)理得到的信號(hào)基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓采用的電壓是分壓得到的+1.65V。3.5計(jì)量程序設(shè)計(jì)在本課題中，經(jīng)過(guò)采樣調(diào)理電路得到的調(diào)理信號(hào)，送進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換接口后得到一系列離散的電流、電壓數(shù)字序列，按照以下的算法處理得到真正的測(cè)量值。3.5.1計(jì)量算法的介紹〔1〕電壓電流有效值計(jì)算本課題中的采樣電壓電路所用的方法為電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，從A/D轉(zhuǎn)換口得到的電壓數(shù)字序列是經(jīng)過(guò)分壓過(guò)后的電壓信號(hào)u，電壓的有效值就等于其在一個(gè)周期內(nèi)的方均根值，用公式〔3-1〕來(lái)表示為：U=1T0T將其離散化得到公式〔3-2〕：U=1Tn=1N等式中的是采樣時(shí)間間隔，un為在第n采樣點(diǎn)得到的瞬時(shí)電壓值，N是在采樣區(qū)間內(nèi)的總的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。在計(jì)算過(guò)程中將?Tn默認(rèn)為一個(gè)不變的值Tn，同時(shí)又有N=T?T，可以得到公式U=1Nn=1N即得到電壓的有效值。同理可以得到電流有效值的公式〔3-4〕為：I=1Nn=1N〔2〕功率因數(shù)測(cè)量交流電路中，功率因數(shù)在數(shù)值上等于有功功率和視在功率的比值，而視在功率可以用公式〔3-5〕來(lái)表示：S=P2+Q所以功率因數(shù)的表示公式〔3-6〕為：cos?=cosP〔3〕無(wú)功功率測(cè)量對(duì)采樣到的電流進(jìn)行數(shù)字式移相90度，再用類(lèi)似于求取有功功率的方法進(jìn)行計(jì)算就可以得到無(wú)功功率的值，單相的無(wú)功功率就等于公式〔3-7〕：Q=1Nn=1N那么三相的無(wú)功功率的值就等于公式〔3-8〕：Q=1Nuan其中的un和i〔4〕有功功率測(cè)量有功功率的計(jì)算就是通過(guò)電壓、電流周期性的乘機(jī)獲得。其中單相有功功率的計(jì)算公式〔3-9〕為：P=1Nn=1N那么三相總的有功功率的計(jì)算公式〔3-10〕就為：P=1Nn=1其中的un和i3.5.2ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理STM32FXXX系列的微控制器自帶12位高精度的ADC轉(zhuǎn)換通道，是一種模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，總共擁有18個(gè)轉(zhuǎn)換通道，可以分別用來(lái)測(cè)量外部信號(hào)〔16路〕和內(nèi)部信號(hào)〔2路〕。每一路A/D通道都具有單次、連續(xù)和間斷轉(zhuǎn)換模式三種，進(jìn)行工作時(shí)，可以在三種模式中根據(jù)實(shí)際情況自由選取其中的一種模式進(jìn)行工作，在本課題設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用的是單次轉(zhuǎn)換模式。ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果有左對(duì)齊和右對(duì)齊兩種對(duì)齊方式。其中ADC的特征主要有：支持雙通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；具有自校準(zhǔn)功能；具有單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；12位高精度分辨率；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束以及發(fā)生模擬看門(mén)狗事件時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生中斷；注入組和規(guī)那么組均可由外部信號(hào)觸發(fā)；從通道0到通道X的自動(dòng)掃描模式；ADC最高頻率為14MHz，要求2.4V~3.6V范圍內(nèi)的電源進(jìn)行供電；將經(jīng)過(guò)采樣和調(diào)理過(guò)程得到的電壓、電流信號(hào)，送進(jìn)ADC轉(zhuǎn)換通道，要在轉(zhuǎn)換通道內(nèi)進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在本課題的設(shè)計(jì)中，因?yàn)橐瓿蓪?duì)三相電壓、電流的采樣，所以要采用6路ADC轉(zhuǎn)換通道，每隔1.25ms就進(jìn)行一次采樣，在工頻50Hz的情況下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓、電流周期，就要設(shè)置16個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)，按照上文中介紹的算法進(jìn)行有效值的轉(zhuǎn)換。ADC的基準(zhǔn)電壓為+3.3V，那么表示采樣得到的模擬信號(hào)和經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換過(guò)后的數(shù)字信號(hào)之間關(guān)系的公式〔3-11〕為：D=A×Vref+其中，n為ADC的位數(shù)，取值為12；Vref+為ADC的正參考電壓，取+3.3V；Vref-為ADC的負(fù)參考電壓，取0V，那么公式〔3-11〕可以化簡(jiǎn)為公式〔3-12D=A×3.34095(3.5.3計(jì)量算法程序設(shè)計(jì)在上文節(jié)中介紹的計(jì)量算法，需要通過(guò)編寫(xiě)程序的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要是對(duì)ADC采集轉(zhuǎn)化過(guò)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到電量的有效值、需要顯示的功率值和功率因數(shù)的大小。計(jì)量算法的程序設(shè)計(jì)如下所示。計(jì)算有效值：doublevirVal=0.0,square=0.0,sum=0.0;u8i=0;for(i=0;i<16;i++){square=pow((*(pt+i)),2);//求平方； sum=sum+square;//求平方和；}virVal=sqrt(sum/16.0);//開(kāi)平方；開(kāi)平方之后，轉(zhuǎn)化得到的電流和電壓信號(hào)分別乘以不同的系數(shù)的到真正采樣到的電量值。計(jì)算有功功率：doubleP=0.0,sum=0.0,product=0.0; u8i;for(i=0;i<16;i++){product=vol[i]*cur[i];sum=sum+product;}使用類(lèi)似的方法可以求得無(wú)功功率、和功率因數(shù)。3.6顯示程序設(shè)計(jì)本文中采用的顯示屏在進(jìn)行顯示工作時(shí)，使用型號(hào)為HT1621B的芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)主要有一般寫(xiě)模式和連續(xù)寫(xiě)模式，本文采用連續(xù)寫(xiě)模式，其時(shí)序圖如圖3.4所示。圖3.4連續(xù)寫(xiě)模式時(shí)序圖在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，首先要使能芯片，然后寫(xiě)入三位指令碼101進(jìn)入寫(xiě)模式，隨后給定6位內(nèi)存地址，再寫(xiě)進(jìn)4位數(shù)據(jù)；當(dāng)采用連續(xù)寫(xiě)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)時(shí)，地址會(huì)自動(dòng)加一，不用重新寫(xiě)進(jìn)6位內(nèi)存地址。顯示程序的設(shè)計(jì)如下：LCD_CS=0;//使能芯片；delay_us(1);//延遲1us；addr<<=2;//地址左移2位；Send_H_Bit(0xa0,3);//發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)模式101；Send_H_Bit(addr,6);//發(fā)送地址的高6位；Send_L_Bit(byte,4);//發(fā)送低4位數(shù)據(jù)；delay_us(1);//延遲1us；LCD_CS=1;//失能芯片；本課題中在顯示屏上呈現(xiàn)的是三行數(shù)字，每行四位數(shù)字，每位數(shù)字都有對(duì)應(yīng)的段碼，其段碼程序如下所示，三行程序分別代表從上到下的三行0到9的數(shù)字代碼。u8Digital1[10]={0xaf,0x06,0x6d,0x4f,0xc6,0xcb,0xeb,0x0e,0xef,0xcf};u8Digital2[10]={0xaf,0x06,0x6d,0x4f,0xc6,0xcb,0xeb,0x0e,0xef,0xcf};u8Digital3[10]={0xf5,0x60,0xb6,0xf2,0x63,0xd3,0xd7,0x70,0xf7,0xf3};特定位置的特定數(shù)字的編寫(xiě)代碼是有規(guī)律可循的，其中局部地址分配和代碼編寫(xiě)規(guī)律，見(jiàn)表3.1所示。表3.1HT1621B局部管腳分配PIN1234567COM0COM0T11F1ACOM1COM1T21G1BCOM2COM2T31E1CCOM3COM3T4P11D例如現(xiàn)在進(jìn)行第三行的第一個(gè)數(shù)字9的代碼編寫(xiě)，先寫(xiě)出它的首地址為0X01，再寫(xiě)出其數(shù)字編碼為11110011，即0XF3。3.7按鍵處理程序設(shè)計(jì)按鍵輸出模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能就是進(jìn)行顯示屏的切換，本設(shè)計(jì)原理圖中總共放置了四個(gè)按鍵，在按鍵被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的GPIO口處的狀態(tài)被拉低，檢測(cè)到其狀態(tài)的變化后，進(jìn)入按鍵處理程序處，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。在功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中僅僅使用其中的兩個(gè)按鍵，分別設(shè)置為PageUp鍵和PageDown鍵，其他按鍵用于多功能電能表的功能擴(kuò)展。其按鍵處理程序如下所示。if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12)==0)//假設(shè)鍵產(chǎn)生按下動(dòng)作；{delay_ms(10);//延時(shí)消抖；if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12)==0)//確定該鍵被按下；{//按鍵處理程序；if(g_keySta<2)g_keySta++;//按順序進(jìn)行從第1頁(yè)到第3頁(yè)的向上翻頁(yè)動(dòng)作elseg_keySta=0;}//從第3頁(yè)向上翻頁(yè)時(shí)，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到第1頁(yè)；LCDUpdate();//LCD屏刷新； while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12));}3.8本章小結(jié)本章涉及多功能電能表的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，首先進(jìn)行了軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的介紹，然后概述了主程序的設(shè)計(jì)流程和電能計(jì)量的數(shù)學(xué)算法，針對(duì)其中主要局部的程序編寫(xiě)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中，對(duì)于電能的數(shù)學(xué)計(jì)量算法進(jìn)行了重點(diǎn)的介紹。同時(shí)針對(duì)ADC的采樣原理和芯片HT1621B的寫(xiě)操作格式進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。第四章系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)4.1采樣電路模塊測(cè)試4.1.1采樣電路仿真測(cè)試課題中設(shè)計(jì)電壓、電流采樣電路的目的，是防止接入電路板的電壓、電流信號(hào)過(guò)大，對(duì)電路板和操作人員造成傷害。從上文的論述中可知，采樣電路要實(shí)現(xiàn)的功能就是將大的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為主控芯片引腳可以承受的小信號(hào)。一般在進(jìn)行實(shí)物連接和測(cè)試之前，為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的平安可靠性，都會(huì)采用仿真軟件進(jìn)行功能測(cè)試，本課題中針對(duì)重要的采樣模塊，利用PSIM仿真軟件進(jìn)行了功能測(cè)試。電流采樣調(diào)理電路的仿真過(guò)程主要包括：〔1〕首先在仿真軟件平臺(tái)上，按照原理圖中設(shè)計(jì)的電流采樣電路進(jìn)行創(chuàng)立，如圖4.1所示。圖4.1創(chuàng)立電流采樣電路〔2〕設(shè)置給定信號(hào)的參數(shù)，該仿真電路中給定有效值為5A的正弦電流信號(hào)，設(shè)置頻率為50Hz，如圖4.2所示。圖4.2設(shè)置電流信號(hào)參數(shù)〔3〕完成電路搭建和參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行仿真運(yùn)行，其中圖4.2中的電流互感器的變比是1:2000，基準(zhǔn)電壓設(shè)置為1.65V，該電路運(yùn)行得到應(yīng)該是圍繞1.65上下波動(dòng)的正弦波，運(yùn)行結(jié)果如圖4.3所示。圖4.3電流采樣仿真結(jié)果電壓采樣電路的仿真過(guò)程與上述電流的仿真步驟相似，首先搭建電壓采樣電路，如圖4.4所示。圖4.4創(chuàng)立電壓采樣電路然后進(jìn)行給定信號(hào)參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)行后得到結(jié)果。給定的電壓信號(hào)波形，如圖4.5所示。圖4.5給定電壓信號(hào)當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref=1.65V時(shí)，運(yùn)行后得到的仿真結(jié)果是圍繞1.65上下波動(dòng)的正弦波，如圖4.6所示。圖4.6仿真結(jié)果4.1.2采樣電路測(cè)試進(jìn)行電流采樣電路的測(cè)試，假設(shè)測(cè)試的電流信號(hào)最大為+10A，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將+10A的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)變比為1:2000的電流互感器引出，送入電流采樣調(diào)理電路后，從LM358芯片輸出端引出的電壓信號(hào)為0V；如果將從電流互感器兩端引出的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)反向器反向后的電流再接進(jìn)電流采樣調(diào)理電路，發(fā)現(xiàn)從LM358芯片輸出端引出的電壓信號(hào)約等于+3.3V。說(shuō)明經(jīng)過(guò)電流采樣調(diào)理電路得到的電壓信號(hào)在0~+3.3V的范圍內(nèi)變化，功能可以按照預(yù)期得以實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行電壓采樣電路的測(cè)試，假設(shè)測(cè)試的電壓信號(hào)的最大值約為311V〔三相交流電源的相電壓有效值為+220V，那么每相電壓的峰值就約為311V〕。將該值的大電壓接入電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合給定的基準(zhǔn)電壓，最終得到送入芯片引腳的電壓信號(hào)在0.925V~2.275V的范圍內(nèi)變化，是主控芯片可以承受的范圍，說(shuō)明電壓采樣調(diào)理電路的設(shè)計(jì)也是根本符合要求的。采樣電路模塊測(cè)試的結(jié)果如圖4.7所示。圖4.7采樣電路模塊測(cè)試4.2ADC模塊調(diào)試進(jìn)行ADC模塊的軟件調(diào)試時(shí)，首先將ADC模塊的程序編寫(xiě)完整，然后當(dāng)程序編譯通過(guò)后，將程序下載到硬件電路板中，采用單步調(diào)試Debugging方式進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)原理圖進(jìn)行程序的編寫(xiě)，選擇端口A1到A6的6個(gè)通道分別作為ADC1到ADC6轉(zhuǎn)換口，因?yàn)槭菍?duì)ADC轉(zhuǎn)換模塊的測(cè)試，可以選擇分別將A1到A6的六個(gè)接口分別接到+3.3V和GND端，比方將A1代表的ADC1口接到高電平+3.3V，將A2代表的ADC2口接到低電平GND。當(dāng)電路板接線(xiàn)完成后，進(jìn)行單步調(diào)試后，在Watch窗口里就能實(shí)時(shí)觀察到變量的值，說(shuō)明ADC轉(zhuǎn)換模塊是能完成其功能的。ADC模塊單步調(diào)試如圖4.8所示。圖4.8ADC模塊單步調(diào)試結(jié)果4.3顯示模塊調(diào)試顯示模塊就是將通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)據(jù)在顯示屏里進(jìn)行顯示。在進(jìn)行顯示程序的測(cè)試時(shí)，首先禁用其他局部的程序，只將ADC轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊的程序進(jìn)行編譯，編譯無(wú)誤后，將程序下載到已經(jīng)和電腦連接好的硬件電路板中，本設(shè)計(jì)中采用的ADC轉(zhuǎn)換通道總共有6個(gè)，這里以通道ADC1為例進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)A1口接到GND時(shí)，顯示屏顯示0.000；當(dāng)A1口接+3.3V時(shí)，顯示屏顯示3.299，顯示數(shù)據(jù)保存3位小數(shù)點(diǎn)，說(shuō)明采樣精度比擬高，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。當(dāng)A1口懸空處理后，顯示屏顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一般顯示的結(jié)果會(huì)在1.800V附近不斷跳躍。為了進(jìn)一步測(cè)試顯示屏的效果，可以將ADC口出來(lái)的信號(hào)通過(guò)滑動(dòng)變阻器后再接到硬件板中，改變滑動(dòng)變阻器的阻值后，LCD顯示屏顯示的內(nèi)容就會(huì)發(fā)生改變。測(cè)試說(shuō)明，LCD顯示模塊的功能根本符合要求。LCD顯示屏電流顯示的測(cè)試結(jié)果如圖4.9所示。圖4.9LCD段碼顯示測(cè)試結(jié)果4.4本章小結(jié)電能表的功能測(cè)試和軟硬件的聯(lián)合測(cè)試是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有調(diào)試通過(guò)，才能根本保證電能表功能的實(shí)現(xiàn)。本章針對(duì)多功能電能表的軟硬件聯(lián)合調(diào)試進(jìn)行了說(shuō)明，重點(diǎn)介紹了采樣電路模塊、A/D轉(zhuǎn)化模塊和LCD段碼顯示模塊的功能調(diào)試過(guò)程，并且調(diào)試結(jié)果說(shuō)明重點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)的功能是根本符合要求的。第五章總結(jié)與展望5.1工作總結(jié)設(shè)計(jì)基于STM32F103RC的多功能電能表的這一課題，具有真正的實(shí)用價(jià)值。正如前文所論述的內(nèi)容，電能是人們生活中不可或缺的能源之一，現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快更加促進(jìn)了電能的開(kāi)展，并且加大了人們對(duì)電能的依賴(lài)，很難想象沒(méi)有電的現(xiàn)代生活應(yīng)該如何繼續(xù)下去。一旦停止電能的供給，即使時(shí)間短暫，也會(huì)引起巨大的恐慌，造成經(jīng)濟(jì)上不可估量的損失。然而，如今又是提倡“節(jié)能減排，綠色消費(fèi)〞觀念的社會(huì)，作為測(cè)量電能的儀表，電能表的作用更是顯而易見(jiàn)。本論文就此方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根本完成了預(yù)期的電能表的功能，雖然不是令人非常的滿(mǎn)意，但是不能因此否認(rèn)作者在本設(shè)計(jì)中做出的努力，現(xiàn)將本論文作者在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要工作做出如下總結(jié)：〔1〕在工作初期，收集了很多相關(guān)文獻(xiàn)，就其中的整體思路進(jìn)行了深入的閱讀，得到初步的設(shè)計(jì)思想，并且不斷得到修改，最終確定本論文中采用的整體結(jié)構(gòu)架造。同時(shí)，對(duì)于電能表的設(shè)計(jì)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，也進(jìn)行了閱讀，有了大概的思路。〔2〕在本文第一章中，作者就電能表的定義、開(kāi)展歷程和電能表在生活中的重要意義，做出了詳細(xì)的介紹。并且，舉例說(shuō)明了電能表在中國(guó)的開(kāi)展現(xiàn)狀，以及存在的問(wèn)題?！?〕在本文第二章中，作者就本設(shè)計(jì)選用的主控芯片進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，并且也闡述了芯片的優(yōu)越性能。然后對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的總體方案進(jìn)行了論證。并且詳細(xì)介紹了課題中各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)電路，主要包括主控電路的設(shè)計(jì)、采樣電路的設(shè)計(jì)、顯示按鍵電路的設(shè)計(jì)、RS485通訊接口原理圖的電路設(shè)計(jì)和電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)?！?〕在本文第三章中，簡(jiǎn)要介紹了軟件局部的設(shè)計(jì)。首先介紹了本課題利用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)KeilMDK，大概查閱了該平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。然后利用模塊化的思想進(jìn)行軟件程序的編寫(xiě)，這樣更加提高了軟件編寫(xiě)的效率，并且使得軟件的結(jié)構(gòu)更加的清晰和簡(jiǎn)潔，易于理解?！?〕在本文的第四章中，將編寫(xiě)好的程序下載到硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行軟硬件的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，針對(duì)調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤存在的原因并且進(jìn)行軟件編程的修改，直到問(wèn)題得到解決；如果在調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)硬件存在的問(wèn)題，也要盡最大的努力，將問(wèn)題排除。5.2展望雖然本課題名稱(chēng)叫做多功能電能表的設(shè)計(jì)，但是并沒(méi)有完全真正的實(shí)現(xiàn)電能表的多功能化，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)工程主要實(shí)現(xiàn)的功能有電壓、電流和功率的顯示，并且預(yù)留了RS485的通訊接口，但是，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)電能表和上位機(jī)之間的信息交流。如今多功能化的開(kāi)展方向和前景是面向智能化，很多智能電表的一個(gè)根本指標(biāo)就是采用多費(fèi)率的計(jì)費(fèi)功能，更好地“迎合〞國(guó)家的電力系統(tǒng)的用電峰谷分時(shí)的政策，這也是響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能減排〞的號(hào)召。電能表性能的好壞，其實(shí)間接地影響到人們用電習(xí)慣的養(yǎng)成；電能表數(shù)據(jù)反應(yīng)的準(zhǔn)確性，也影響到電能用戶(hù)對(duì)國(guó)家電力系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，綜合考慮多功能電能表還可以有以下方面的改良：〔1〕完善軟件算法。在本文中的計(jì)量算法中，并沒(méi)有消除在AD口采樣轉(zhuǎn)換時(shí)由于電流、電壓的相角移動(dòng)帶來(lái)的誤差；也沒(méi)有對(duì)波形可能存在的畸變進(jìn)行校正。算法得到完善后，可以結(jié)合RS485通訊，在完成下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞的同時(shí)，省去人工抄表的步驟，節(jié)省人力物力，這樣的設(shè)計(jì)更加具有人性化；另外還可以在算法中添加預(yù)付費(fèi)功能，預(yù)先將電費(fèi)存儲(chǔ)在系統(tǒng)里，直到預(yù)付的電費(fèi)接近完結(jié)時(shí)，會(huì)在顯示屏上進(jìn)行顯示；〔2〕顯示屏的數(shù)據(jù)顯