基于STM32F103單片機電流電壓采集系統設計

葉銳文，植瑤瑤，于智榮，蒙 露，張海東，覃趙軍

（廣西大學行健文理學院，廣西 南寧 530004）

0 引 言

在數字電路和嵌入式系統中處理電壓電流等模擬量、數字量和模擬量之間的轉換、高電壓和低電壓之間的轉換以及大電流和小電流之間的轉換是相關技術的關鍵。因此，本文設計了基于STM32F103單片機的交流電壓、電流及有功功率的采集系統，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，經過整流和濾波，導入至STM32F103單片機的ADC，經過處理，并通過屏幕顯示所采集的電流、電壓、通電時間及電功率。

1 采集系統硬件設計

電流電壓采集系統硬件包括最小系統電路、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，系統結構如圖1所示。

1.1 MCU單片機最小系統電路

本設計需要采用MCU單片機最小系統，設計了能保證單片機工作的各電路，如晶振電路、復位電路，具體如文獻[1]所述。

1.2 WiFi模塊電路

安裝WiFi模塊，硬件設備嵌入WiFi模塊后可以直接利用WiFi與屏幕或者手機APP進行連接，實現交流電壓、交流電流、功率及電量值的顯示。

1.3 繼電器控制電路

由于設計了具有監控和保護作用的電路，因此設計的系統具有保護功能。當有功功率達到設定值時，CPU會發出信號，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供電。

2 采集系統軟件設計

電流電壓采集系統軟件設計主要采用模塊化編程。圖2為程序流程圖。

3 采集終端設計

3.1 電流采集終端設計

電流采集終端采用的是TA1005系列母線內置式微型精密交流電流互感器，

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

典型應用如圖6和圖7所示，性能參數如表3所示。

圖6 典型應用

圖7 典型應用

4 數據采集電路

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處理，需要轉換成數字量，因此需要濾波和整流等環節，如圖8和圖9所示。最后送到內置的AD采樣通道，ADC進項轉換，本單片內置的ADC是12位的。

公式為：

STM32F103將采樣的數據進行處理分析后，再通過通信接口將數據上傳至上位機或者其他設備，完成數據采集處理[3]。

表1 性能參數表

表2 性能參數表

表3 性能參數表

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 論

本文結合電壓電流互感器，經過設計濾波和整流電路，實現對220 V電壓和相應負載電流的采集。通過STM32F103單片機ADC的轉換，再經過CPU對數據的處理，實現了對電壓和相應負載電流的采集和屏幕顯示。同時，還設定了有功功率的閾值，當用電功率超過閾值時，單片機自動控制繼電器斷開電路，達到保護電路的作用。