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

張 飛，韓政融

(沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院，遼寧 沈陽 113122)

許多國家已經(jīng)開展了電力環(huán)境監(jiān)測的研究工作，發(fā)達(dá)國家的電力監(jiān)測系統(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。歐美國家對于當(dāng)前電子負(fù)載激增以及電力行業(yè)監(jiān)管放松所帶來的非線性負(fù)載快速增長以及電力系統(tǒng)的互聯(lián)性，設(shè)計出采用MCU為核心的電能質(zhì)量在線檢測裝置，通過實時采樣芯片實現(xiàn)了對三路電壓以及電流的采集，將得到的信號通過單片機進(jìn)行采集，再通過RS485總線將信息發(fā)送至上位機，實現(xiàn)了電壓電流有效值的采集，并對諧波等參數(shù)進(jìn)行了分析[1-3]。

國內(nèi)在電能質(zhì)量分析及參數(shù)測量等信息監(jiān)測方面，開發(fā)出了基于ARM的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)電能質(zhì)量頻率偏差、諧波、三相電不平衡以及電壓波動等參數(shù)的實時檢測。以ARM處理器為核心采用電能分析裝置基于虛擬儀器設(shè)計了一套上位機界面，通過移植的嵌入式實時操作系統(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，通過運算放大器對采集到的信號進(jìn)行射隨以及過零比較，利用ADC以及外部電能計量芯片對電參數(shù)進(jìn)行測量，同時系統(tǒng)支持母線溫度檢測等功能。

1 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分采用模塊化設(shè)計方案，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)測試模塊、液晶顯示模塊、溫度檢測系統(tǒng)以及上位機通信模塊等。其中電參數(shù)測試模塊是整個系統(tǒng)的核心，用來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)計主要包括電能測試模塊、電參數(shù)采樣系統(tǒng)、按鍵輸入系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、報警系統(tǒng)以及上位機通信系統(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

中央處理器主要用以實現(xiàn)對所選用處理器的信息獲取，電能參數(shù)信息的測量，按鍵輸入信息的捕獲，報警系統(tǒng)的控制以及上位機通信的處理。采用STM32系列芯片，該芯片具有價格低廉、性能好、產(chǎn)品可靠性高的特點，其處理器采用了ARM系列的實時性內(nèi)核，在其高端芯片中集成了單精度浮點運算單元或者雙精度浮點運算單元，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)測功能，在程序優(yōu)化合理的情況下可以實現(xiàn)單周期指令的執(zhí)行功能，相對于傳統(tǒng)的單片機，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，從而直接運行相應(yīng)的通信外設(shè)實現(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

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)采用獨立式按鍵電路。選用較常見的7×7式點動式按鍵，每個按鍵兩端附加相應(yīng)的濾波電容，通過濾波電容消除按鍵的抖動，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，按鍵一端通過上拉阻排R14進(jìn)行供電，對按鍵并聯(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，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

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，可以實現(xiàn)不用信號轉(zhuǎn)接即可實現(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 報警電路設(shè)計

遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的報警電路設(shè)計，可以實現(xiàn)溫度超過閾值的報警功能，蜂鳴器采用5 V供電的有源蜂鳴器，相對于無源蜂鳴器來說，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，然后通過一個NPN的三極管進(jìn)行擴流，保護中央處理器模組的I/O引腳，防止電流過大燒毀中央處理器模塊。報警電路如圖5所示。

圖5 報警電路

1.5 電參數(shù)識別模塊驅(qū)動電路設(shè)計

電參數(shù)識別模塊采用IN2128B智能電參數(shù)識別模塊，其主要用以進(jìn)行電力參數(shù)識別，負(fù)責(zé)接收測控主機指令，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]，并能實現(xiàn)A/D模塊的相互轉(zhuǎn)化。電參數(shù)識別模塊如圖6所示。

圖6 電參數(shù)識別模塊

1.6 聯(lián)機方案設(shè)計

基于STM32的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)智能電參數(shù)檢測裝置可以用來與上位機進(jìn)行通信，隨著通信距離的增大，設(shè)備也會越來越復(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線信道的多變性和易丟失性，以及節(jié)點的能源限制。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，外部配備儲能電容E9，采用STM32單片機的外部串口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

遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)母線電壓檢測、母線電壓過高限制、母線電壓過低限制、功率因數(shù)檢測、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、母線溫度檢測等功能。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

電參數(shù)模塊子程序設(shè)計過程時，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)時應(yīng)該先對通信端口進(jìn)行配置，配置完成后開始對芯片的指令進(jìn)行CRC校驗計算[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)計的電能檢測函數(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，每個數(shù)據(jù)位的長度都為4位，系統(tǒng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換的時候可以采用隊列讀取功能將信息從數(shù)據(jù)中讀取出來。

2.2 數(shù)字溫度傳感器模塊設(shè)計

數(shù)字溫度傳感器模塊子程序設(shè)計時，首先發(fā)送詢問信號等待器件響應(yīng)，當(dāng)檢測到器件響應(yīng)后，開始進(jìn)行相對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。溫度轉(zhuǎn)換子程序在運行時，首先會對溫度傳感器HDC1080進(jìn)行復(fù)位操作，再檢查該器件是否可以正常運行，如果沒有正常運行系統(tǒng)會跳過余下步驟返回主線程，當(dāng)期間正常運行之后，首先會觸發(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，中央處理器通過對此RAM內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取即可實現(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 上位機通信子程序設(shè)計

上位機通信程序用以實現(xiàn)上位機的監(jiān)控操作，當(dāng)系統(tǒng)運行時，會對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，等待上位機加入，上位機采用QT進(jìn)行制作，當(dāng)上位機點擊連接后，電腦操作系統(tǒng)會連接到指定IP地址，同時與其建立通信連接[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 上位機通信部分程序

3 實物測試

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)的測試，其目的是通過與系統(tǒng)的需求相比較，發(fā)現(xiàn)所開發(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)實物

基于STM32遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件測試主程序上主要測試報警邏輯判斷、Wi-Fi數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示以及控制繼電器開啟以及關(guān)閉等功能。根據(jù)MDK的編譯環(huán)境對程序中錯誤與警告，認(rèn)真仔細(xì)地排查程序中的邏輯關(guān)系以及C語言編寫規(guī)范，消除錯誤，通過程序下載仿真器進(jìn)行程序在線仿真運行，查看寄存器數(shù)值，不斷修改程序功能，達(dá)到預(yù)計的系統(tǒng)功能。觀察液晶顯示器顯示的數(shù)據(jù)，通過不斷修改顯示坐標(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

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，通過運算放大器對采集到的信號進(jìn)行射隨以及過零比較，利用ADC以及外部電能計量芯片對電參數(shù)進(jìn)行測量，同時系統(tǒng)支持母線溫度檢測等功能。本文結(jié)合硬件、軟件設(shè)計，完成了實物的制造和調(diào)試，為同類產(chǎn)品設(shè)計和研究提供了參考。