基于STM32的電力采集與無線傳輸系統(tǒng)研究

黃 恒，許繼瑞，丁 偉，曹吉花

（宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000）

1 引言

近年來，隨著電子技術(shù)，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)測量也發(fā)生了巨大的變革，電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為電力供需管理的基本環(huán)節(jié),發(fā)揮著重要作用,電力系統(tǒng)的發(fā)展對電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精確性、實時性以及可靠性都提出了更高的要求[1].傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受限于有限的存儲空間和通信接口,存在精度不高、實時性差、采集信息量小等缺點,已無法滿足實際的電力系統(tǒng)調(diào)度與管理需要,本文提出的基于STM32的新型電力數(shù)據(jù)采集器充分利用了STM32豐富的片上資源,大大節(jié)約了硬件投資,利用STM32具有快速采樣的高性能ADC、先進的電源及時鐘管理、雙看門狗等功能,極大地增強了系統(tǒng)的實時性與可靠性,精度顯著提高,同時功耗明顯降低.

2 電力采集系統(tǒng)的整體設計方案

本設計的整體原理框圖如下圖1所示.首先電壓和電流的模擬信號經(jīng)電路調(diào)理后，通過STM32單片機轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由STM32進行數(shù)據(jù)處理；開關量則通過I/O口輸入，STM32通過中斷進行讀取.電力數(shù)據(jù)采集和處理后，由TFT彩屏進行顯示，同時用NRF24L01進行發(fā)送.當接收端接收到數(shù)據(jù)后同時顯示在接收端的TFT彩屏上，以更加直觀的形式顯示出來.

圖1 系統(tǒng)原理

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各部分功能

3.1 STM32單片機的概述

STM32是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，具有杰出的低功耗控制以及眾多的外設，最重要的是其性價比.STM32有非常強大的外設功能：128KFLASH，,USB,CAN，12位的 ADC,USART等等.同時STM32支持JTAG/SWD,非常方便調(diào)試，而且依然支持串口下載，還有就是STM32的中文支持，資料豐富，功耗低.

3.2 電壓電流采樣電路

本設計選用型號為JPT2024A的電壓互感器，當輸入電壓為0～220V時,對應的輸出電壓為0～3.3V；選用型號為JCT5261K的電流互感器,當輸入電流為0～5A 時,對應的輸出電壓為0～3.3V,輸入和輸出根據(jù)電壓電流信號的周期（T=20ms）和A/D的轉(zhuǎn)換時間均成線性變化(本設計選用STM32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換芯片，其單次轉(zhuǎn)換時間僅為6μs),計算出在信號的一個周期內(nèi)A/D采樣次數(shù)N,然后對輸入信號進行采樣,邊采樣邊計算[2].

3.3 相位角的獲取

在相位的測取中設置單片機的定時器T0為定時器計數(shù).將電壓V1、電流I1經(jīng)過過零比較器后變成方波信號V2、I2輸入到單片機相應的中斷口.當單片機的INT0由0變成1(即電壓波形產(chǎn)生正跳變)時,打開定時器T0，開始計數(shù)；當INT1的波形由0變成1(電流波形產(chǎn)生正跳變)時，關閉定時器T0.根據(jù)在定時器T0中所保存的數(shù)值Tx，Tx為T0的計數(shù)值，根據(jù)其值可計算出相位角[3].

3.4 TFT顯示和無線發(fā)送模塊

（1）TFT顯示：為了更直觀的監(jiān)控電力采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用2.8寸的彩色液晶顯示器與本地實時進行監(jiān)控，并提供了良好的人機交互界面功能，利用STM32F103RBT6單片機[4]的FSMC模塊控制液晶顯示器，即將液晶作為外部存儲設備來使用，配置好讀寫及控制信號的時序，指定指針即可實現(xiàn)對液晶的讀寫訪問，應用這種方式，既可以簡化對液晶的操作，只需指定讀寫數(shù)據(jù)指針就可以完成操作，而且提高了方位的速度.

（2）無線通訊模塊：本設計采用NRF2401無線模塊,本設計中將采樣電壓和電流的那一端作為從機不斷的發(fā)送信息，另一端作為接收端主機通過串口和PC機相連，不斷的接收從從機發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時主機顯示在TFT液晶顯示器上，主機通過和串口PC機相連，可以隨時的觀察從機采集的電力信息.

4 整體的軟件流程：如下圖5所示

圖5 主程序框圖

5 實驗結(jié)果和分析

將 A，B，C三相分別接到市電 220V利用20W，23W，40W的燈泡作為三相的負載，本設計的電力數(shù)據(jù)如下表所示.

A相 B相 C相電壓/V 218.9 221.2 220.6電流/mA 152 174 303功率因數(shù) 0.60 0.60 0.60有用功率 19.96 23.03 40.1

由于本設計采用數(shù)值采樣法，對于被測信號的頻率變化非常敏感，為了獲取較高的精度，本設計對于電壓和電流信號同時進行采樣，并選用轉(zhuǎn)換速度較快的STM32內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，結(jié)果表明，分別用20W，23W,40W的燈泡作為三相的負載下，精度可達1%，符合實際要求.

〔1〕張旭.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術(shù)報，2010（11）:90-93.

〔2〕尹元梅，溫宗周.基于51單片機的數(shù)字功率表設計[J].電子測量技術(shù)報，2012（10）:28-30.

〔3〕林濤，鄒黎華，耿勇男.多類型多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].電子測量學與儀表報,2009,23（S1）：236-239.

〔4〕季力.基于STM32芯片的電參數(shù)測量與數(shù)據(jù)傳輸[J].自動化與儀器儀表，2010（3）：137-139.