STM32的单相用电器分析监控装置

发表于 2019-8-26 14:09

提出了一种基于STM32的单片机的单相用电器分析监控装置的设计方案，通过该方案实现了对各种
常见用电器种类的识别功能，并能够通过终端设备实现对家用电器的监控功能。同时该装置采用wifi模块与云
端相连，从而能够进一步在手机上轻松监测家庭的用电设备。该单相用电器分析监测装置，在学习模式下，能
测试并存储个单件用电器在各种状态下工作的特征参量，并在分析监测模式下，实时指示用电器的类别和工作
状态。同时，该装置通过STM32单片机对电压互感器与电流互感器感应电压的波形的处理与变换，也可以实时
精确地监测用电器的电压、电流、功率、功率因数、有功功率等各种电量参数。

发表于 2019-8-26 14:10

物联网与人工智能飞速发展的时代，电参数的采
集变得尤其重要。手机APP随意可以控制智能设备，人
们的生活变得更加方便快捷。但在快捷方便的背后难免
存在一些安全隐患意识，对于如何才能确保手机发送的
指令被正确的执行，电参数采集应运而生，通过对电器
设备电参数的采集，本设计可以精确地判断用电器当前
的工作状态，通过MCU对传感器采集信息的大量数据
处理，作为反馈发送给手机端，来实现一个闭环的效
应，保障了对智能设备的安全性。同时电参数的采集也
可在人们的日常生活中得到体现，电子技术的快速发
展，使得电子类产品大规模地出现在人们社会生活当
中。对于工厂设备以及各种大功率的家电设备来说安
全、可靠、高效是人们最为关心的内容，电参数采集设
备能够更好地为人们的健康生活提供保障。

发表于 2019-8-26 14:10

系统的功能结构图

发表于 2019-8-26 14:11

电参数采集系统作为现代物联网数据反馈，通过实
时电参数反馈，手机APP或者电脑界面可显示各种用电
场合现场的有效数据。在远程操作家庭电器上起到了至
关重要的重用，保障了数据在远程传输的稳定性，电参
数采集系统目前应用在三相交流电路中比较多，后期在
智能家居，物联网生活的世界必不可少。

发表于 2019-8-26 14:36

电参数采集系统以STM32F103ZET6
单片机作为主控MCU，通过电压、电流互感器获取市
电上电线变化特征参量转化为弱电参量，通过STM32内
部ADC进行模数转换，并通过一系列数值计算和相应
算法，得到所需的电量参数。并通过LCDTFT彩屏实时
显示出来，并增加按键以供人机交互使用。

发表于 2019-8-26 14:37

电参数采集分为四个部分，分别是数据的
同步、电压采集、电流采集、 LCD显示。在数据同步的
过程中可上传至机智云云端，可实现用手机远程监控，
同时数据也可下传至硬件电路端，通过MCU实时浮点
运算，对数据进行更新与反馈。电压与电流采集分别经
过运算放大电路和相角检测电路，之后可获取相关信
息，包括用电器工作的频率，以及市电总线上相位的变
化。 TFTLCD显示端，不停刷新电参数显示的数据以及
当前的环境数据变化，具体信息可通过按键来切换。

发表于 2019-8-26 15:02

系统的流程图

发表于 2019-8-26 15:03

构建开发环境
MDK5编译开发环境： MDK5作为强大的编译软
件，提供了丰富的内核库和单片机种类库，包含链接、
下载、仿真、调试，支持多种公司的仿真器与调试器，
如JLink、 ST_Link、 ulink等，为开发STM32单片机缩短
了时间，提高了开发效率。使用MDK5可实现对一些基
于RAM内核的高级单片机的编程与调试，可以完成对
ST公司的STM32F1系列的单片机的开发与调试。
ST—Lnk仿真器：在程序调试的过程中可借助ST-Link
进行程序的单步调试，大大缩短了开发过程中的难题。

发表于 2019-8-26 15:34

感谢分享！了解一下

发表于 2019-8-26 15:46

市电经变压器互感输出得到
双12 V的交流电压，经整流桥全桥整流和滤波电容进行
滤波，得到的直流电压再经过7812与7912稳压芯片进
行稳压，输出+12V与-12V的直流电压，双12 V电源为
信号放大板中的运放NE5532进行供电。 +12 V的直流
电源再依次通过7805与AMS111-3.3稳压芯片，得到+5
V与+3.3 V的稳定电压，其中5V电源是为单片机的一些
外设供电，包括温湿度传感器、 TFT彩屏等。此外5 V电
源还为信号放大板中电压比较器和双D触发器供电， 3.3
V作为STM32芯片的主控电源，保证MCU时刻处于稳定
工作模式。

发表于 2019-8-26 15:47

系统电源电路

发表于 2019-8-26 15:47

电压互感与电流互感信号放大电路

发表于 2019-8-26 15:48

主控单片机MCU电路

发表于 2019-8-26 15:59

这是17年电赛题目加强版

发表于 2019-8-26 17:04

电压互感与电流互感信号经运放NE5532
放大，输出1 V的正弦交流信号。输出的信号经过精密
整流电路可以得到稳定的直流，可作为STM32的ADC
采集，在TFT LCD上可实时显示当前电压与电流值。
放大输出的正弦交流信号同时也送到了相角差检测
电路中，通过电压比较器将正弦波转换为方波信号，不
同相位的信号送入双D触发器74HC74中可以得到相位
差值，以低电平持续的时间来表示， STM32单片机可以
通过定时器捕获来获取当前的相位差。

发表于 2019-8-26 17:05

主控电路包括了STMF103ZET6最小系统：复位电
路、晶振电路、 BOOT选择电路，通过STM32最小系统
完成对信号的采集，相关数据的转换。通过FSMC对外
接TFT彩屏进行驱动，实时显示电参数值，此外在MCU
中我们加入了自己的算法，通过这些算法，可以完成自
主学习电器特性，做到了时间短，响应快。主控电路中
还加入了独立按键电路，可以方便切换不同显示界面和
一些参数的查询。

发表于 2019-8-26 17:07

程序主要有三大部分，第一部分是电参数测量，该
部分程序主要用于获取信息采集系统采集到的信息；第
二部分是数据处理，主要用于将获取到的电参数信息经
过一系列计算，得出当前电器类型及工作状态；第三部
分是输出与输入部分，主要包括显示器实时显示当前信
息，按键控制等。

发表于 2019-8-26 17:10

该系统的软件开发流程图，上电先对所有设
备初始化，通过电压互感器与电流互感器采集数据送入
ADC中，在MCU中我们只需要对相角、频率、电压的
变化进行相关处理，经过特殊的变换与相关算法来实现
对用电器种类和个数的识别。判断按键的变化来切换
LCD彩屏的显示。

发表于 2019-8-26 17:11

核心代码
int main()
LED_Init(); //LED端口及时钟初始化
KEY_Init(); //按键初始化
DHT11_Init(); //温湿度传感器初始化
TFT_LCD_Init(); //LCD彩屏初始化
ADC1_Int(); //ADC1初始化
while(1)
{
Key_Scan(); //按键扫描函数
if(time1==1) //每隔一秒读取一次温湿度
{
time1=0;
temp=read_dht11(0); //读取温度
humi=read_dht11(1); //读取湿度
DY=ADC_Read(1); //读取电压值
DL=ADC_Read(2); //读取电流值
}
if(muse==1) //菜单界面
{
deal_muse(); //菜单处理函数
LCD_SHOW(0x01); //LCD显示
}
if(shezhi==1) //设置界面
{
deal_shezhi(); //设置处理函数
LCD_SHOW(0x02); //LCD显示
}
if(zhungtai==1) //状态界面
{ d
eal_zhuangtai(); //状态处理函数
LCD_SHOW(0x03); //LCD显示

发表于 2019-8-26 17:11

软件流程图

[应用相关] STM32的单相用电器分析监控装置

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