基于STM32F103單片機(jī)電流電壓采集系統(tǒng)設(shè)計

葉銳文，植瑤瑤，于智榮，蒙 露，張海東，覃趙軍

（廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引 言

在數(shù)字電路和嵌入式系統(tǒng)中處理電壓電流等模擬量、數(shù)字量和模擬量之間的轉(zhuǎn)換、高電壓和低電壓之間的轉(zhuǎn)換以及大電流和小電流之間的轉(zhuǎn)換是相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵。因此，本文設(shè)計了基于STM32F103單片機(jī)的交流電壓、電流及有功功率的采集系統(tǒng)，通過電壓互感器TV1005M和電流互感器TA1005M分別檢測交流電壓和交流電流值，經(jīng)過整流和濾波，導(dǎo)入至STM32F103單片機(jī)的ADC，經(jīng)過處理，并通過屏幕顯示所采集的電流、電壓、通電時間及電功率。

1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

電流電壓采集系統(tǒng)硬件包括最小系統(tǒng)電路、總電源、電壓電流采集電路、WiFi模塊電路、繼電器控制電路及LED燈電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 MCU單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本設(shè)計需要采用MCU單片機(jī)最小系統(tǒng)，設(shè)計了能保證單片機(jī)工作的各電路，如晶振電路、復(fù)位電路，具體如文獻(xiàn)[1]所述。

1.2 WiFi模塊電路

安裝WiFi模塊，硬件設(shè)備嵌入WiFi模塊后可以直接利用WiFi與屏幕或者手機(jī)APP進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)交流電壓、交流電流、功率及電量值的顯示。

1.3 繼電器控制電路

由于設(shè)計了具有監(jiān)控和保護(hù)作用的電路，因此設(shè)計的系統(tǒng)具有保護(hù)功能。當(dāng)有功功率達(dá)到設(shè)定值時，CPU會發(fā)出信號，控制繼電器斷開，排除故障后，可以通過屏幕控制繼電器接通恢復(fù)供電。

2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

電流電壓采集系統(tǒng)軟件設(shè)計主要采用模塊化編程。圖2為程序流程圖。

3 采集終端設(shè)計

3.1 電流采集終端設(shè)計

電流采集終端采用的是TA1005系列母線內(nèi)置式微型精密交流電流互感器，

本應(yīng)用及性能參數(shù)如下：（1）圖3為用電阻法直接獲得采樣電壓，性能參數(shù)如表1所示；（2）圖4為IC法獲得采樣電壓，性能參數(shù)如表2所示。

圖2 程序流程圖

圖3 電阻法直接獲取電壓

圖4 IC法獲取電壓

3.2 電壓采集終端設(shè)計

電壓采集終端采用的是TV1005-1M型微型精密交流電壓互感器，如圖5所示。

圖5 交流電壓互感器線圈圖

典型應(yīng)用如圖6和圖7所示，性能參數(shù)如表3所示。

圖6 典型應(yīng)用

圖7 典型應(yīng)用

4 數(shù)據(jù)采集電路

基于互感器的終端，采集到的是交流的模擬量，不能被嵌入式單片機(jī)處理，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此需要濾波和整流等環(huán)節(jié)，如圖8和圖9所示。最后送到內(nèi)置的AD采樣通道，ADC進(jìn)項(xiàng)轉(zhuǎn)換，本單片內(nèi)置的ADC是12位的。

公式為：

STM32F103將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，再通過通信接口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)或者其他設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集處理[3]。

表1 性能參數(shù)表

表2 性能參數(shù)表

表3 性能參數(shù)表

圖8 濾波和整流交流電壓檢測

圖9 濾波和整流交流電流檢測

5 結(jié) 論

本文結(jié)合電壓電流互感器，經(jīng)過設(shè)計濾波和整流電路，實(shí)現(xiàn)對220 V電壓和相應(yīng)負(fù)載電流的采集。通過STM32F103單片機(jī)ADC的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過CPU對數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)了對電壓和相應(yīng)負(fù)載電流的采集和屏幕顯示。同時，還設(shè)定了有功功率的閾值，當(dāng)用電功率超過閾值時，單片機(jī)自動控制繼電器斷開電路，達(dá)到保護(hù)電路的作用。