毕业论文基于STM32F103单片机的智能电表交流电压电流设计.docx

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1、基于STM32F103单片机的智能电表交流电压电流设计摘要随着电力系统电量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统的电量检测系统暴露出越来越多的缺点，难以满足现代电网向自动化、数字化的需要。本设计由STM32单片机核心板电路、交流电压电流检测模块电路、WIFI模块电路组成。通过电压互感器TV1005M和电流互感器TA1005M分别检测交流电压和交流电流值，手机APP和WiFi模块互联后，可以实时显示交流电压、交流电流、功率和电量实时显示在手机上。当功率超过200W时，继电器自动断开。功率不超过200W时，可以手动控制继电器的开关。手机和WiFi模块连接后，手机上显示计时时间。关键字：单片机；W

2、IFl模块；交流电压电流检测；安卓APP目录第一章绪论31.1 课题背景及其意义31.2 国内外的研究状况31.3 本文的主要研究内容及论文结构安排4第二章方案的设计与论证52.1 控制方案的确定52.2 控制方式的选择52.2.1 单片机芯片的选择52.2.2 无线遥控模块的选择6第三章硬件电路的设计73.1 系统的功能分析及体系结构设计73.1.1 系统功能分析73.1.2 系统总体结构73.2 模块电路的设计83.2.1 STM32单片机核心电路设计83.2.2 ESP8266WIFI模块电路设计电路设计103.2.3 TV、TA-1005-1M交流电压电流互感器模块电路设计11第四章系

3、统软件设计174.1 编程语言选择174.2 单片机程序开发环境174.3 ARM软件开发流程184.4 FlyMcu程序烧录软件介绍194.5 PL2303串口程序烧写模块介绍204.6 程序流程图21第五章系统焊接与调试235.1 电路焊接235.2 系统调试245.2.1 系统程序调试245.2.2 硬件测试245.3 实物测试25致谢27参考文献28第一章绪论11课题背景及其意义交流电与人们的生活紧密联系，不论是学习、工作还是娱乐都离不开交流电。电网电压在使用中会因为各种突变引起电压电流突变。有时大的电压变化可能损坏用电设备，特别是在工厂出现这种情况将会造成巨大的经济损失。因此能够实时

4、显示电网电压和用电电流并能把数值上传到上位机进行集中监控的电压电流仪表具有重要意义。交流数字电压电流表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。新型数字电压表以其高准确度、高可靠性、高分辨率、高性价比等优良特性倍受人们的青睐。1.2 国内外的研究状况

5、电压电流测量是电子测量的一个重要内容。测量仪器总的可分为两大类：即模拟式和数字式的。模拟式的电压电流表是指针式的。用磁电式电流表作为指示器，并在电流表表盘上以电压或电流刻度。它主要由电阻R和表头串联组成，测量部件表头的设计是利用载流线圈在磁场中受力矩作用的原理。数字式电压电流表首先将模拟量通过模/数（A/D）变换器变成数字量，然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。模拟式电压电流表由于电路简单、价廉，特别是在测量高高频电压时，其测量准确度不亚于数字电压电流表，故在目前，在电压电流测量中仍将占有重要的地位。数字式电压电流表在近年来已成为极其精确，灵活多用的电子仪器，并且价格正在逐渐下

6、降。数字式电压电流表能很好地与其他数字仪器相交接，因此在电压测量系统中是非常重要的。目前数字电压电流表具有实时显示、显示范围宽、分辨率高、输入阻抗高、集成度高、功耗小、抗干扰能力强、可扩展能力强等特点O1.3 本文的主要研究内容及论文结构安排第1章.主要介绍本设计的课题背景及国内外研究状况;第2章.主要说明系统方案的选择；第3章.主要介绍硬件电路的组成及使用方法；第4章.主要介绍软件设计；第5章.主要介绍硬件调试。第二章方案的设计与论证2.1 控制方案的确定本设计由STM32单片机核心板电路+交流电压电流检测模块电路+WIFI模块电路+指示灯电路组成。2. 2控制方式的选择2.1.1 单片机芯

7、片的选择方案一采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。方案二采用ST公司的STC89C52单片机作为主控制器，STC89S52是一-种低功耗、高性能CMe)S8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。该单片机功耗低、接口丰富，成本低廉，完全能满足本设计要求。方案三采用单片机芯片控制MSP430单片机是

8、美国德州仪器(TI)推出的一种16位超低功耗的混合信号处理器(MiXedSignalProCeSSor),主要是针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”混合信号处理的解决方案。MSP430F149是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领域，有效地提高了控制质量与经济效益，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。方案四本文所选单片机控制芯片为STM32单片机，STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM7架

9、构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。使用ARM最新的、先进架构的CorteX-M3内核，具有优异的实时性能、杰出的功耗控制、出众及创新的外设，并且最大程度的集成整合，十分易于开发，可使产品快速将进入市场。故选择方案四。2.1.2 无线遥控模块的选择方案一采用红外遥控模块系统进行无线控制，红外载波频率：38KHz,其理论遥控范围为8-10米，遥控范围内，电路简单，成本极低。中间有无障碍物等因素会影响到遥控距离，实际遥控距离可能更短，丧失了遥测的有用性。方案二使用WIFI模块进行本系统数据的无线传输。Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。W

10、i-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-FiAllianCe)所持有。目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。Wi-Fi主要是用于替代工作场所一般局域网接入中使用的高速线缆的。这类应用有时也称作无线局域网(WLAN)o其覆盖性强，传输距离远。方案三使用蓝牙模块进行本系统数据的无线传输。蓝牙可以替代很多应用场景中的便携式设备的线缆，在能够应用于一些固定场所，如智能家庭能源管理(如恒温器)等。其数据传输为10米，但是数据传输速度不高。综上所述，故选择方案二。第三章硬件电路的设计3.1 系统的功能分析及体系结构设计3.1.1 系统功能分析本设计由STM

11、32单片机核心板电路+交流电压电流检测模块电路+WIFI模块电路+指示灯电路组成。1、通过电压互感器TV1005M和电流互感器TAl(X)5M分别检测交流电压和交流电流值，2、手机APP和WiFi模块互联后，可以实时显示交流电压、交流电流、功率和电量实时显示在手机上。3、当功率超过200W时，继电器自动断开。功率不超过2(X)W时，可以手动控制继电器的开关。4、手机和WiFi模块连接后，手机上显示计时时间。名称：AuaisoutoooIP及端口号:10.10.10.11:8080接受内容：V:123A:12345P:1234567Q:1234567.89T:123R:1说明:(只增加R部分命令

12、及发送内容，其他未变动)V:123表示123V交流电压字符5个长度不变如12V表示V:012A:12345表示12.345A交流电流P:1234567表示1234.567W瞬时功率即缩小IOoO倍Q:1234567.89表示1.23456789度缩小100OOOo倍因为度的单位比较大kwhT1234表示1234S单片机设备运行时间R：1表示继电器接通供电中。表示断开即过载发送内容：*或者#断开供电*接通供电。3.1.2 系统总体结构本系统具体框图如下图所示：总电源及降压电路电压电流采集电路一WIFl模块电路OMCU单片机最小系统电路继电器控制电路系统原理框图3.2 模块电路的设计3.2.1 S

13、TM32单片机核心电路设计STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。选择此款控制芯片是因为本系统设计并非追求成本的最低或更小的功耗，而是在实现本设计功能的前提下能够提供更丰富的接口和功能以便于设计实验系统各实验项目所需的外围扩展电路。此款控制芯片在完成单片机课程的学习后上手较为容易，在医疗器械中应用广泛，具有很好的学习、实验研究价值。一、STM32的主要优点：（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核（2）优异的实时性能（3）杰出的功耗控制（4）出众及创新的外设（5）最大程度的集成整合（6）易于开发，可使产品快速将进

14、入市场二、STM32最佳的平台选项对于使用同一平台进行多个项目开发而言，STM32是最佳的选择：（1）从仅需少量的存储空间和管脚应用到需要更多的存储空间和管脚的应（2）从苛求性能的应用到电池供电的应用（3）从简单而成本敏感的应用到高端应用（4）全系列脚对脚、外设及软件的高度兼容性，给您带来全方位的灵活性。您可以在不必修改您原始框架及软件的条件下，将您的应用升级到需要更多存储空间或精简到使用更少存储空间/或改用不同的封装的规格。STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图如下图所示。STM32单片机核心板接口原理图STM32单片机核心板内部电路图如下图所示。STM32单片机核心板内部原理图S

15、TM32单片机实物图如下图所示。STM32单片机核心板实物图3.2.2 ESP8266WIFI模块电路设计电路设计串口WlFl模块是新一代嵌入式WiFi模块，体积小，功耗低。采用UART接口。串口Wifi模块是基于通用串行接口特性，符合IEEE802.il协议栈网络标准，内置TCP/IP协议栈，使传统串口设备更好的加入无线网络。ESP8266是一款超低功耗的模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和互联网的应用设计，可将用户的物理设备连接到WlFl无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。WiFi模块电路图如下图所示。GNDWIFI模块电路原理图WIFI模块实物图如下图所示。WIFI模块实物图3.2.3 TV、TA-1005-IM交流电压电流互感器模块电路设计本交流电流互感器模块型号为TV1005-lMo本交流电流互感器模块型号为TA1005Mo电压互感器介绍电压互感器和变压器类似，是用来变