黃 恒，許繼瑞，丁 偉，曹吉花

（宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

1 引言

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)測(cè)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(duì)電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精確性、實(shí)時(shí)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(chǔ)空間和通信接口,存在精度不高、實(shí)時(shí)性差、采集信息量小等缺點(diǎn),已無(wú)法滿足實(shí)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(jìn)的電源及時(shí)鐘管理、雙看門狗等功能,極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性,精度顯著提高,同時(shí)功耗明顯降低.

2 電力采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)電路調(diào)理后，通過(guò)STM32單片機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；開(kāi)關(guān)量則通過(guò)I/O口輸入，STM32通過(guò)中斷進(jìn)行讀取.電力數(shù)據(jù)采集和處理后，由TFT彩屏進(jìn)行顯示，同時(shí)用NRF24L01進(jìn)行發(fā)送.當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)后同時(shí)顯示在接收端的TFT彩屏上，以更加直觀的形式顯示出來(lái).

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(jī)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(shè)，最重要的是其性價(jià)比.STM32有非常強(qiáng)大的外設(shè)功能：128KFLASH，,USB,CAN，12位的 ADC,USART等等.同時(shí)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(shè)計(jì)選用型號(hào)為JPT2024A的電壓互感器，當(dāng)輸入電壓為0～220V時(shí),對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0～3.3V；選用型號(hào)為JCT5261K的電流互感器,當(dāng)輸入電流為0～5A 時(shí),對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0～3.3V,輸入和輸出根據(jù)電壓電流信號(hào)的周期（T=20ms）和A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間均成線性變化(本設(shè)計(jì)選用STM32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換芯片，其單次轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為6μs),計(jì)算出在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)A/D采樣次數(shù)N,然后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣,邊采樣邊計(jì)算[2].

3.3 相位角的獲取

在相位的測(cè)取中設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)器T0為定時(shí)器計(jì)數(shù).將電壓V1、電流I1經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器后變成方波信號(hào)V2、I2輸入到單片機(jī)相應(yīng)的中斷口.當(dāng)單片機(jī)的INT0由0變成1(即電壓波形產(chǎn)生正跳變)時(shí),打開(kāi)定時(shí)器T0，開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)INT1的波形由0變成1(電流波形產(chǎn)生正跳變)時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器T0.根據(jù)在定時(shí)器T0中所保存的數(shù)值Tx，Tx為T0的計(jì)數(shù)值，根據(jù)其值可計(jì)算出相位角[3].

3.4 TFT顯示和無(wú)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(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，并提供了良好的人機(jī)交互界面功能，利用STM32F103RBT6單片機(jī)[4]的FSMC模塊控制液晶顯示器，即將液晶作為外部存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)使用，配置好讀寫(xiě)及控制信號(hào)的時(shí)序，指定指針即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的讀寫(xiě)訪問(wèn)，應(yīng)用這種方式，既可以簡(jiǎn)化對(duì)液晶的操作，只需指定讀寫(xiě)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(wú)線通訊模塊：本設(shè)計(jì)采用NRF2401無(wú)線模塊,本設(shè)計(jì)中將采樣電壓和電流的那一端作為從機(jī)不斷的發(fā)送信息，另一端作為接收端主機(jī)通過(guò)串口和PC機(jī)相連，不斷的接收從從機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)主機(jī)顯示在TFT液晶顯示器上，主機(jī)通過(guò)和串口PC機(jī)相連，可以隨時(shí)的觀察從機(jī)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(shí)驗(yàn)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(fù)載，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)采用數(shù)值采樣法，對(duì)于被測(cè)信號(hào)的頻率變化非常敏感，為了獲取較高的精度，本設(shè)計(jì)對(duì)于電壓和電流信號(hào)同時(shí)進(jìn)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(fù)載下，精度可達(dá)1%，符合實(shí)際要求.

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

〔2〕尹元梅，溫宗周.基于51單片機(jī)的數(shù)字功率表設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)報(bào)，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(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量學(xué)與儀表報(bào),2009,23（S1）：236-239.

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