基于STM32的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 飛，韓政融

(沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 113122)

許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了電力環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究工作，發(fā)達(dá)國(guó)家的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)己經(jīng)比較完善，并走在了世界電力行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的前列。歐美國(guó)家對(duì)于當(dāng)前電子負(fù)載激增以及電力行業(yè)監(jiān)管放松所帶來(lái)的非線性負(fù)載快速增長(zhǎng)以及電力系統(tǒng)的互聯(lián)性，設(shè)計(jì)出采用MCU為核心的電能質(zhì)量在線檢測(cè)裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)三路電壓以及電流的采集，將得到的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行采集，再通過(guò)RS485總線將信息發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電壓電流有效值的采集，并對(duì)諧波等參數(shù)進(jìn)行了分析[1-3]。

國(guó)內(nèi)在電能質(zhì)量分析及參數(shù)測(cè)量等信息監(jiān)測(cè)方面，開(kāi)發(fā)出了基于ARM的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量頻率偏差、諧波、三相電不平衡以及電壓波動(dòng)等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。以ARM處理器為核心采用電能分析裝置基于虛擬儀器設(shè)計(jì)了一套上位機(jī)界面，通過(guò)移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，完成了處理任務(wù)的分配[4-5]。

本研究基于STM32應(yīng)用電參數(shù)模塊采集母線的電壓值、電流值，通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行射隨以及過(guò)零比較，利用ADC以及外部電能計(jì)量芯片對(duì)電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)支持母線溫度檢測(cè)等功能。

1 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要包括電源模塊、STM32F401模塊、電壓互感模塊、電流互感模塊、電參數(shù)測(cè)試模塊、液晶顯示模塊、溫度檢測(cè)系統(tǒng)以及上位機(jī)通信模塊等。其中電參數(shù)測(cè)試模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用來(lái)提供母線的電壓以及電流的參數(shù)。遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括電能測(cè)試模塊、電參數(shù)采樣系統(tǒng)、按鍵輸入系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)以及上位機(jī)通信系統(tǒng)。遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以單片機(jī)作為中央處理器模塊組成的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控裝置，為電能的智能管理與控制提供了解決方案，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性與可靠性[6]。

圖1 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 中央處理器設(shè)計(jì)

中央處理器主要用以實(shí)現(xiàn)對(duì)所選用處理器的信息獲取，電能參數(shù)信息的測(cè)量，按鍵輸入信息的捕獲，報(bào)警系統(tǒng)的控制以及上位機(jī)通信的處理。采用STM32系列芯片，該芯片具有價(jià)格低廉、性能好、產(chǎn)品可靠性高的特點(diǎn)，其處理器采用了ARM系列的實(shí)時(shí)性內(nèi)核，在其高端芯片中集成了單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元或者雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，采用流水線的指令架構(gòu)，相較于普通的處理器加入了指令的分支預(yù)測(cè)功能，在程序優(yōu)化合理的情況下可以實(shí)現(xiàn)單周期指令的執(zhí)行功能，相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)，STM32內(nèi)部集成了較多外設(shè)裝置，這種外設(shè)裝置可以使用戶不再使用模擬的通信程序，從而直接運(yùn)行相應(yīng)的通信外設(shè)實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的通信操作。中央處理器控制電路如圖2所示。

圖2 中央處理器控制電路

1.2 按鍵電路設(shè)計(jì)

基于STM32遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行按鍵設(shè)置，系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵電路。選用較常見(jiàn)的7×7式點(diǎn)動(dòng)式按鍵，每個(gè)按鍵兩端附加相應(yīng)的濾波電容，通過(guò)濾波電容消除按鍵的抖動(dòng)，防止按鍵按下一次中央處理器模塊接收到多次的情況發(fā)生，按鍵一端通過(guò)上拉阻排R14進(jìn)行供電，對(duì)按鍵并聯(lián)的消抖電容進(jìn)行充電，當(dāng)按鍵按下后消抖電容的電能釋放掉，中央處理器模組接收相應(yīng)的收到信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)的按鍵功能。按鍵電路如圖3所示。

圖3 按鍵電路

1.3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

采用IPS2432背光式液晶顯示裝置，該種液晶顯示器采用了3.3 V的供電，可以實(shí)現(xiàn)不用信號(hào)轉(zhuǎn)接即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的直接操控，并且采用了SPI的通信協(xié)議，只需要2根數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)液晶顯示的控制功能，雖然程序編寫較為復(fù)雜，但是可以分頁(yè)面進(jìn)行編輯。液晶顯示電路如圖4所示。

圖4 液晶顯示電路

1.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)溫度超過(guò)閾值的報(bào)警功能，蜂鳴器采用5 V供電的有源蜂鳴器，相對(duì)于無(wú)源蜂鳴器來(lái)說(shuō)，有源蜂鳴器內(nèi)部集成了振蕩電路，只要通入相應(yīng)的直流電即可觸發(fā)蜂鳴器的聲音。在蜂鳴器電源處采用10R電阻進(jìn)行限流，然后通過(guò)一個(gè)NPN的三極管進(jìn)行擴(kuò)流，保護(hù)中央處理器模組的I/O引腳，防止電流過(guò)大燒毀中央處理器模塊。報(bào)警電路如圖5所示。

圖5 報(bào)警電路

1.5 電參數(shù)識(shí)別模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電參數(shù)識(shí)別模塊采用IN2128B智能電參數(shù)識(shí)別模塊，其主要用以進(jìn)行電力參數(shù)識(shí)別，負(fù)責(zé)接收測(cè)控主機(jī)指令，完成相關(guān)電參數(shù)的采集和傳送。其可以精確可靠地檢測(cè)電力設(shè)備的電流、電壓、有功功率、總有功功率、視在功率、功率因數(shù)等電參數(shù)數(shù)據(jù)[7]，并能實(shí)現(xiàn)A/D模塊的相互轉(zhuǎn)化。電參數(shù)識(shí)別模塊如圖6所示。

圖6 電參數(shù)識(shí)別模塊

1.6 聯(lián)機(jī)方案設(shè)計(jì)

基于STM32的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)智能電參數(shù)檢測(cè)裝置可以用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信，隨著通信距離的增大，設(shè)備也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，功耗和系統(tǒng)的成本也都隨之增加。關(guān)鍵就在于如何解決無(wú)線信道的多變性和易丟失性，以及節(jié)點(diǎn)的能源限制。本文采用Wi-Fi通信模塊ESP8266作為系統(tǒng)與上位機(jī)連接的橋梁。供電采用3.3 V，工作頻率2.4 GHz。該模塊采用串口與中央處理器相連接，外部配備儲(chǔ)能電容E9，采用STM32單片機(jī)的外部串口1進(jìn)行通信，連接至PA9、PA10端口，通信波特率選用115.2 kB、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位。Wi-Fi通信模塊外部電路如圖7所示。

圖7 Wi-Fi通信模塊外部電路

2 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)母線電壓檢測(cè)、母線電壓過(guò)高限制、母線電壓過(guò)低限制、功率因數(shù)檢測(cè)、功率因數(shù)限制、當(dāng)前功率顯示、功率限制上限、斷路器狀態(tài)監(jiān)控、電能統(tǒng)計(jì)、母線溫度檢測(cè)等功能。遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)控制流程

2.1 電參數(shù)模塊設(shè)計(jì)

電參數(shù)模塊子程序設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，首先要配置好外部電路，其次采用基于串口通信的MODBUS協(xié)議即可從設(shè)備中讀取到相應(yīng)的函數(shù)信息，最后在操作函數(shù)時(shí)應(yīng)該先對(duì)通信端口進(jìn)行配置，配置完成后開(kāi)始對(duì)芯片的指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)計(jì)算[8]。電參數(shù)模塊流程如圖9所示。電參數(shù)模塊部分程序如圖10所示。

圖9 電參數(shù)模塊流程

圖10 電參數(shù)模塊部分程序

電參數(shù)模塊子程序設(shè)計(jì)的電能檢測(cè)函數(shù)采用的是MODBUS協(xié)議的拼接轉(zhuǎn)換函數(shù)，在此協(xié)議的定義當(dāng)中，每個(gè)數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度都為4位，系統(tǒng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換的時(shí)候可以采用隊(duì)列讀取功能將信息從數(shù)據(jù)中讀取出來(lái)。

2.2 數(shù)字溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字溫度傳感器模塊子程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)等待器件響應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到器件響應(yīng)后，開(kāi)始進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。溫度轉(zhuǎn)換子程序在運(yùn)行時(shí)，首先會(huì)對(duì)溫度傳感器HDC1080進(jìn)行復(fù)位操作，再檢查該器件是否可以正常運(yùn)行，如果沒(méi)有正常運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)跳過(guò)余下步驟返回主線程，當(dāng)期間正常運(yùn)行之后，首先會(huì)觸發(fā)溫度轉(zhuǎn)換操作，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完成之后，該器件會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果放置于內(nèi)部RAM當(dāng)中，中央處理器通過(guò)對(duì)此RAM內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取即可實(shí)現(xiàn)溫度信息的獲取。溫度轉(zhuǎn)換子程序流程如圖11所示。溫度傳感器部分程序如圖12所示。

圖11 溫度轉(zhuǎn)換子程序流程

圖12 溫度傳感器部分程序

2.3 上位機(jī)通信子程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信程序用以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控操作，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)Wi-Fi通信系統(tǒng)ESP8266進(jìn)行配置，使其進(jìn)入AP指令模式，同時(shí)配置其IP地址，并創(chuàng)建TCP服務(wù)器，當(dāng)該服務(wù)器創(chuàng)建成功后，等待上位機(jī)加入，上位機(jī)采用QT進(jìn)行制作，當(dāng)上位機(jī)點(diǎn)擊連接后，電腦操作系統(tǒng)會(huì)連接到指定IP地址，同時(shí)與其建立通信連接[9-11]。通信子程序流程如圖13所示。上位機(jī)通信部分程序如圖14所示。

圖13 ESP8266通信子程序流程

圖14 上位機(jī)通信部分程序

3 實(shí)物測(cè)試

基于STM32的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)是將已經(jīng)確認(rèn)的軟件、硬件設(shè)備、通信、顯示等其他元素結(jié)合在一起，進(jìn)行信息系統(tǒng)的組裝，產(chǎn)品實(shí)物如圖15所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)性能參數(shù)的測(cè)試，其目的是通過(guò)與系統(tǒng)的需求相比較，發(fā)現(xiàn)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)與用戶需求不符或矛盾的地方，從而提出更加完善的方案。

圖15 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物

基于STM32遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件測(cè)試主程序上主要測(cè)試報(bào)警邏輯判斷、Wi-Fi數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示以及控制繼電器開(kāi)啟以及關(guān)閉等功能。根據(jù)MDK的編譯環(huán)境對(duì)程序中錯(cuò)誤與警告，認(rèn)真仔細(xì)地排查程序中的邏輯關(guān)系以及C語(yǔ)言編寫規(guī)范，消除錯(cuò)誤，通過(guò)程序下載仿真器進(jìn)行程序在線仿真運(yùn)行，查看寄存器數(shù)值，不斷修改程序功能，達(dá)到預(yù)計(jì)的系統(tǒng)功能。觀察液晶顯示器顯示的數(shù)據(jù)，通過(guò)不斷修改顯示坐標(biāo)和顯示內(nèi)容，達(dá)到能夠準(zhǔn)確、清晰觀察各環(huán)境數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)軟件調(diào)試如圖16所示。

圖16 系統(tǒng)軟件調(diào)試

4 結(jié)語(yǔ)

基于STM32的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用電參數(shù)模塊采集母線的電壓值、電流值，通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行射隨以及過(guò)零比較，利用ADC以及外部電能計(jì)量芯片對(duì)電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)支持母線溫度檢測(cè)等功能。本文結(jié)合硬件、軟件設(shè)計(jì)，完成了實(shí)物的制造和調(diào)試，為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究提供了參考。