单相用电器分析监测装置

1、2017年TI杯江苏省大学生电子设计竞赛题目：单相用电器分析监测装置摘要本设计是单相用电器分析监测装置， 主要由测量模块， 控制模块， 显示模块， 电源模块，通讯模块组成。其中测量模块采用RN8209实现对电压，电流的测量与数据的送出，显示模块采用1.44寸TFTLCD液晶显示屏，通讯模块是蓝牙通 讯,并通过控制模块STM32F103C8T协调全部芯片工作，能实现电压、电流、功 率和功率因素的实时测量和显示。关键字：STM32单片机；LCD液晶显示；蓝牙通讯目录1. 系统方案 11.1 主控芯片方案的比较与选择 11.2 测量系统方案的比较与选择 11.3 通讯系统方案的比较与选择 22 系统

2、结构与工作原理 22.1 系统总体原理框图 22.2 系统各模块设计 32.2.1 测量模块设计 32.2.2 发送端和接收端模块设计 32.2.3 通讯模块设计 43 竞赛工作环境条件 53.1 设计分析软件环境 53.2 仪器设备硬件平台 54 测试内容及结果 54.1 测试方案 54.2 测试结果及分析 55 作品成效总结分析 66 参考资料 6单相用电器分析监测装置（K题）【本科组】1.系统方案本系统主要由单片机控制模块、测量模块、显示模块、通讯模块，电源模 块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1主控芯片方案的比较与选择方案一：采用STC89C5单片机STC89C5是一种微控制器

3、，具有低功耗，高性能的特点，具有在系统可编 程（ISP）特性，再配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载到单片机内 部，而且速度快，但是STC89C5只有一个串口，不符合发送与接收两个串口的 要求。方案二：采用STM32单片机STM32系列都可满足高性能、低成本、低功耗的要求。 STM32单片机程序具有模块 化的特点，因所以其接口相对简单些，又因它自身带好多功能，工作速度也就快, 而且STM32具有两个串口，符合设计要求。具有精密性，可靠性，安全性。综合比较上述方案，考虑到设计方案工作原理，方案二更适合于本设计。1.2测量系统方案的比较与选择方案一：采用ADE7755ADE7755属于高准

4、确度电能计量集成电路,它可以将有功功率的信息以频率 的形式输出，对温度的敏感度很低。同时ADE7755只在ADCffi基准源中使用模拟 电路，其他所有信号处理都使用数字电路，所以能保持极高的准确度及长期稳定 性。方案二：采用RN8209RN8209不仅能够应用于有功功率、无功功率、有功能量、无功能量的测量，并能可以同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。综合比较上述方案，考虑到 RN8209勺功能更强，所以选择方案二。1.3通讯系统方案的比较与选择方案一：采用 RS232接 口RS232接口是全双工数据通讯模式，其数据的收发不能同时进行，可

5、保证数 据收发的不冲突，硬件上是通过方向切换来实现的，但是RS232具有传输距离有 限，传输速率较低的缺点。方案二：采用 RS485接 口RS485的接口信号电平比RS232低，这就避免了接口电路芯片的损坏，且该 电平与TTL电平兼容，方便与TTL电路连接。RS485接 口是半双工数据通讯模式 所以其传输距离比RS232的传输距离远得多.数据最高传输速率也可以达到10Mbps综合比较上述方案，方案二更适合本次设计要求。2系统结构与工作原理2.1系统总体原理框图系统总体设计方案如图1所示，每个模块在整个硬件系统中承担着一定的作 用。其中RS485通信模块实现了 STM32单片机与测量模块的通信。

6、当测量模块输入数据时，STM32单片机就将数据通过RS485通信模块送出。测量模块的数据同 样能通过RS485模块下传给单片机，然后通过蓝牙通讯将接受的数据具体的显示 在LCD液晶显示屏上。图1系统总体设计框图2.2系统各模块设计2.2.1 测量模块设计测量模块由RN8209对电压，火线电流及零线电流的采样，并对功率, 能量进行测量。图2测量模块原理图2.2.2 发送端和接收端模块设计发送端如图3所示，首先给采集模块发送特定的数据包，若接收成功， 则通过蓝牙发送数据包，若接收失败，则返回接收端。接收端如图4所示，首先对接收的文件初始化，之后读取并处理数据。 接着若按下学习键，则读取数据并判断是

7、1-7键哪个键按下，数据存储在存储空间中，若停止按键，则返回判断位置；如继续，则读取数据并处理 判断。如果没有按下学习键， 则进入预设环节， 若有预设，则存储A,B.GD 数据；若没有，读取数据并判断具体电器，通过按键检测，判断按下1-7哪个数，之后将总体情况显示在总体界面上，并返回到读取数据端。开始Y图4接收端流程图图3发送端流程图2.2.3通讯模块设计图5 RS485通讯模块原理图STM32采用TTL电平，为实现测量模块与CPU实现通信需要设计一款485转TTL电路。RS485是采用差分信号逻辑，接口信号低，不易损坏接口 电路的芯片，且 RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪

8、声 干扰性好，能采用半双工的工作模式。3竞赛工作环境条件3.1等。3.2设计分析软件环境设计过程中主要使用的软件有：microsoft visio 、Altium Designer仪器设备硬件平台测试所使用的仪器设备有：万用表。4测试内容及结果4.1测试方案首先用microsoft visio画出系统总体的流程图，接着利用AltiumDesig ner画出各个硬件部分的原理图，然后参照流程图，将各个硬件部分焊接在通用板上，用万用表检测各部分，确保无虚焊、漏焊且各引脚连接正确。 将程序导入STM32单片机内，进行总体性能指标的测量，调整电路或代码。4.2 测试结果及分析首先按下初始化键，接着按下学习键。若按下键 1,则存储在A区，若按下 键2,则存储在B区，以此类推。然后记录LCD液晶显示屏上的数据。记录数据 如表格1。测试次数功率/W电流/mA电压N功率因数128233023122330.56435212330.51547302330.40459382330.950611472330.5417185683222331.000从上表测试数据中可以看出，测得值符合题目要求。5作品成效总结分析综合上述测试结果，本设计完成了题目基本部分的要求。