小型便捷精密功率计设计

摘要随着科技和技术的不断发展，各类高精密度设备层出不穷，对测试工具的要求也越来越高。当中，功率计作为重要的测试工具，其市场地位也愈发重要。于此搜集了大量相关资料，设计了一个小型、便捷、高精度的功率计，以满足用户更加实际和多样化的测量需求。本设计可以高精度地测量功率和分析相应数值。该设备使用现代技术，以最小的误差提供可靠的能源使用读数。在硬件设计中以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，来辅助控制外围电路，其中主要模块包括单片机模块、HLW8032采样模块、OLED显示模块、供电模块、ESP8266模块等。从而能够实现高精度的功率测量。在软件设计中主要运用的Keil软件进行编程、嘉立创EDA进行原理图绘制。还可在手机上实时检测测量参数。同时兼备数字电压表和电流表的功能。本设计主要可测量电压、电流、功率因数、有功功率等，并对其进行数据分析。关键词：功率计；电流采样；电压采样；HLW8032AbstractWiththecontinuousdevelopmentoftechnologyandtechnology,allkindsofhighprecisionequipmentemergeinanendlessstream,andtherequirementsfortesttoolsarebecominghigherandhigher.Amongthem,thepowermeter,asanimportanttesttool,itsmarketpositionisalsoincreasinglyimportant.Alargeamountofrelevantinformationiscollectedhere,andasmall,convenientandhigh-precisionpowermeterisdesignedtomeetthemorepracticalanddiversifiedmeasurementneedsofusers.Thisdesigncanmeasurethepowerandanalyzethecorrespondingvaluewithhighaccuracy.Thedeviceusesmoderntechnologytoprovidereliableenergyusereadingswithminimalerror.Inthehardwaredesign,STM32F103C8T6singlechipcontrollerisusedasthecorecontrollertoassisttocontroltheperipheralcircuit,andthemainmodulesincludesinglechipmodule,HLW8032samplingmodule,OLEDdisplaymodule,powersupplymodule,ESP8266module,etc.Thus,ahigh-precisionpowermeasurementcanbeachieved.KeilsoftwareismainlyusedinsoftwaredesignforprogrammingandEDAforschematicdrawing.Measurementparameterscanalsobedetectedinrealtimeonamobilephone.Bothwiththedigitalvoltmeterandammeterfunction.Thisdesigncanmainlymeasurethevoltage,current,powerfactor,activepower,etc.,andconductdataanalysis.Keywords:powermeter;currentsampling;voltagesampling;HLW8032目录TOC\o"1-3"\h\u18728摘要 I28097Abstract II2908第1章绪论 1137021.1课题背景及意义 1323951.2研究现状 170721.2.1国内研究现状 2122591.2.2国外研究现状 2298891.3发展历史及趋势 252841.4研究内容 320275第2章功率计基本原理及框架 4245302.1功率计定义 4672.2功率计工作原理 5118912.3总体模块 587142.4功率计结构框图 61731第3章硬件模块设计 7113403.1单片机模块 7189493.1.1STM32F103C8T6芯片优缺点 7270183.1.2STM32F103C8T6引脚分布及连接 8301693.2HLW8032采样模块 9208653.2.1HLW8032非隔离采样 9146543.2.2HLW8032隔离采样 9237103.3光藕隔离输出电路 10170633.4供电模块 11164463.5OLED显示模块 1261013.6WIFI模块 1316810第4章软件设计 1534054.1系统软件介绍 15323014.1.1keil软件 15252484.1.2嘉立创EDA 16145294.2系统程序流程图 17291564.3屏幕显示程序 185364.4WiFi串口程序流程图 195138第5章安装与调试 21302315.1硬件安装 21105255.2测试环境搭建 22250835.3系统功能测试 22271385.4显示模块测试 23185结论 247204参考文献 2510078致谢 2714509附录1原理图 2818811附录2系统程序 30 第1章绪论1.1课题背景及意义小型便捷精密功率计是一种用于测量设备中电流、电压、功率的仪器。该仪器可用于测量交流和直流电路的功率值，以及测量功率因数、有功功率和电阻等参数。在电子工程领域，功率计始终是一种非常重要的测量工具，因为它可以帮助工程师们更好地了解电路的性能和特性。在过去的几十年中，随着科技的不断发展，我们生活中的电子器件越来越多，电力质量也变得越来越重要。而功率计作为一种测试电力的仪器，在电力工程和电子技术的领域中扮演着重要角色。小型便捷精密功率计作为一种新型的功率计，在过去的几年里受到越来越多的关注。它相较于传统功率计有很多的优点，如采用数字化电路REF_Ref11931\r\h[1]，准确度更高，体积更小，操作更简单等。但是，小型便捷精密功率计在使用时也存在一些问题。例如，当工作环境发生变化时，数据的精度可能会受到影响REF_Ref12960\r\h[2]；当需要进行长时间的测试时，功率计的寿命有可能不足等等。因此，本文将对小型便捷精密功率计进行深入研究。首先，将介绍小型便捷精密功率计的工作原理和结构特点，以及它在电力工程和电子技术领域中的应用REF_Ref13175\r\h[3]。接着，将探究小型便捷精密功率计在使用中存在的问题，并提出相应的解决方案。在本文中，将重点介绍小型便捷精密功率计的设计。将探讨功率计的基本原理和工作方式，以及小型便捷精密功率计的设计要求和技术难点。还将介绍几种常见的小型便捷精密功率计的应用场景和实际应用案例，以帮助更好地了解这种仪器的作用和价值。1.2研究现状随着经济时代的快速发展和技术的不断变革，互联网技术和电子信息技术已经取得了质的飞跃，推动了生产和生活进入数字化时代REF_Ref15148\r\h[4]。功率表在各种工业仪器仪表中占据着重要地位，被广泛应用于电工和电子技术等领域。精密功率计在工业和科研领域中具有重要的应用价值，因此对其进行深入研究和改进，将有利于提高其测量精度和适用性。目前市场上大多数精密功率计体积都相对较大，不方便携带，在一些特殊场合下不能满足相应的要求。因此，设计一款小型便捷的精密功率计，将能够更好地满足一些特定场合下的需求。通过本论文的研究和设计，本论文可以提升我的电子电路设计和创新能力，为我的后续工作打下坚实基础。本论文在设计一种小型便捷精密功率计，使其具有体积小、精度高、易操作等特点，提高功率测量的精度和可靠性。1.2.1国内研究现状在我国功率计的发展比较滞后，还没有出现大型的便捷精密功率计，主要的功率计产品还是传统的模拟式功率计和数字式功率计。在精度、测量范围上与国外产品还存在一定差距。1.2.2国外研究现状在国外，已经出现了许多小型便捷精密功率计，主要有以下几种类型：（1）USB口型功率计：轻巧小巧，非常便携，可以直接连接到个人电脑或笔记本电脑上使用，非常方便。（2）手持型功率计：体积小，可以携带，非常便携，同时加入了一些便携式电子设备的优秀特性，比如大屏幕，触摸操作等。（3）台式功率计：常常被用在研究实验室和工业过程控制中，能够提供更高的精度，更宽的测试范围，并且通过RS232标准串口和USB接口，能够被PC远程控制。1.3发展历史及趋势一、在功率计的发展历史中，主要有以下几个阶段：（1）模拟式功率计阶段：是功率计发展的最初阶段，主要采用模拟电路来实现功率的测量，准确度比较低，体积大，价格昂贵REF_Ref13737\r\h[5]。（2）数字式功率计阶段：随着数字电路技术的发展，数字式功率计开始逐步替代模拟式功率计，准确度和稳定性得到了极大的提高。（3）小型便携式功率计阶段：随着计算机技术和微型电子技术的快速发展，小型便捷精密功率计的出现，成为了功率计在社会发展中的一个重要阶段REF_Ref14935\r\h[6]REF_Ref14710\r\h[7]。（4）网络化功率计阶段：随着互联网的不断发展，功率计也开始向网络化、智能化的方向发展，能够通过网络远程测量和控制。并且，随着新材料、新工艺的应用，功率计的测量精度、稳定性得到了大幅度提高REF_Ref14501\r\h[8]。二、从发展历史来看，功率计的发展主要在以下几个方向上体现：（1）普及化：随着科技的不断进步和电子设备的不断普及，功率计将逐步成为仪器测量的标配，普及化的发展趋势将愈发明显。（2）便捷化：便捷化是今后功率计发展的一个重要方向，未来功率计将越来越小巧、便携，运行更加简便快捷。（3）高精度化：在测量精度方面，随着新材料、新工艺的不断引入，功率计的测量精度将不断提高。（4）网络化：网络化的发展趋势将有利于功率计的远程测量和控制，使功率计的应用范围更加广泛、实际操作更加便捷。因此，本文的研究意义就在于借助现有技术，设计一款小型便捷精密功率计，并在测量精度和便携性方面有所突破，为功率计的发展做出贡献。1.4研究内容经查找阅读大量相关的资料、书籍，在网络上广泛搜集了大量与功率计相关的文献，经过仔细阅读和深入研究，已经全面掌握了本次设计的核心内容和关键要点。本设计主要是一个小型的便携精密功率计，以单片机为要主控制器，控制外围电路，通过电压采样模块和电流采样模块，采样到的信号传送给转换器，经转换后送给控制器，最终处理后得到相应的分析数值，最终在显示屏上显示。其中主要包含单片机模块、电流采样、电压采样、OLED显示模块、供电模块等。本设计是一个小型的便携的精密功率计，可以实现高精度的功率测量。以单片机为控制中心，并辅助外围电路，带有一个0.96寸的屏幕，可以显示设备的电流消耗情况或电源的电压变化等，方便进行供电或者功耗分析。同时还能上传数据到云端，可在手机APP上显示，满足大多数场景下的需求。主要特性：·数字电压表和电流表功能·0.96寸的屏幕·电压表量程：0-300V,分辨率0.0001V,电流表量程：0-20A,分辨率0.1μA·采样率：最高100SPS,最低0.01SPS·最高存储深度6kpts·数据上传云端，手机APP查看等功能总的来说，在物联网和工业4.0等领域中，精密测量和控制是至关重要的。单片机作为一种通用性强、性能稳定、体积小、价格低廉的微处理器，具有广泛、灵活的应用前景。本文主要介绍了单片机在小型便捷精密功率计的设计过程中的应用。该系统呈现出结构简明，性能稳定可靠，精度高超的特征，并且具备极为广阔的使用前景。可用于能源管理、工业自动化、物流测量、环境监测等领域。我们相信，在物联网时代，单片机将继续扮演着不可或缺的角色。第2章功率计基本原理及框架2.1功率计定义设计一个合理可行的功率计方案，首先需要了解被测对象的特性。只有了解被测对象的特性，才能够根据其特性制定出满足系统设计要求的方案。电功率是指单位时间内做功的多少，通常用来表示用电量消耗的多少，是一个常见的物理量REF_Ref6344\r\h[9]。在计算电功率时，通常采用测量用电器以及电子元器件的实时电流和电压值来获取功率值REF_Ref10785\r\h[10]。电功率可以定义为，待测用电器或元器件两端的电压值与通过该用电器的电流值的乘积。在直流电路和交流电路中，其计算略有差异，电功率的计算公式为P=UI，其中P代表电功率，U代表电压，I代表电流。而在交流电路中，电功率的计算公式为P=UIcosφ，其中φ代表相位差REF_Ref14361\r\h[11]。因此，在设计功率计时，必须获取待测元器件的电压和通过其的电流值来测量元器件功率值。这类测量方法可借助传统机械式测量仪器，也可利用数字化仪表实现。值得注意的是，数字化测量方式在测量值准确性、仪器操作性、实用性等方面均表现更为卓越，彰显出其具备高等级数据处理能力与操作易检验、便携性等特征。除了电功率，还有一种常见的功率叫作机械功率，可以表示机械装置运动的速率。在实际应用中，功率计不仅仅被用于测量电子元器件的电功率，还可用于测量各种类型的设备和器件的功率值REF_Ref15739\r\h[12]。例如，功率计常常被用于测量家用电器和工业设备的功率，以便为电力系统的管理和优化提供相关的数据和指标。在功率计的原理中，需要注意到功率计在测量过程中需要消耗一些电能，因此要对功率计的测量误差进行考虑。此外，还需要注意功率计的线路连接问题，确保仪表的准确性和安全性。在数字化仪表的设计中，需要考虑仪表的采样率、分辨率、精度等因素，以及如何实现数据存储和传输。此外，还需要注意功率计与被测元器件之间的匹配问题，确保仪表能够正常工作并提供准确的测量结果。最后，需要强调的是，功率计在工业生产和日常生活中都有着广泛的应用，其精度和可靠性对于保障电力系统的安全和稳定具有重要作用。因此，功率计的设计和制造需要经过严格的测试和验证，确保其质量达到标准要求。2.2功率计工作原理在电路中，元器件的功率是一个非常重要的参数，因为它可以反映元器件的工作状态和性能REF_Ref15745\r\h[13]。为了测量元器件的功率，需要采集元器件两端的电流和电压值，并进行计算和处理。下面将详细介绍电流和电压值的采样过程。首先，要明确的是在电流值进行A/D转换时，需将其转化为相应的电压值以实现A/D转换器的目的。这是由于A/D转换器是基于电压进行操作，而电流不可直接转换为电压。因此，通过串联或并联电阻的方法，将电流值转化为电压值，然后再进行A/D转换。如果被测试的目标是交流电，计算电压值和电流值间的相位差是必不可少的。在进行信号采集时，应该将大电压和大电流转化为小电压和小电流，以避免A/D转换器的过载问题。在进行电压采集时，需通过并联电阻进行适当调节。对于元器件两端的实时电压进行采集后，也需要进行A/D转换。而对于电流的采样通常是通过串联电阻的方式进行，采集后也同样需要进行A/D转换。采集到电压和电流信号后，单片机可进行计算和处理，最终得出元器件的功率值REF_Ref15931\r\h[14]。最后，可以将测量结果通过液晶屏进行显示。通过这种方法，可以方便地测量元器件的功率，并且可以及时了解元器件的工作状态和性能。2.3总体模块一、在该总体框架中，该设备主要包括以下模块：1.单片机模块：负责整个电路的核心控制。2.电压采样模块：负责对器件的电压进行采样和处理。3.电流采样模块：负责对流过被测试的器件的电流进行采样和处理。4.模拟信号与数字信号转换模块：负责将采集到的模拟信号转换成数字信号。5.供电模块：负责为该设备提供稳定的电源。6.显示模块：负责将采样得到的数据显示在OLED屏幕上。7.WiFi模块:负责将数据上传至云端，方便用户观测。二、下面列出了每个模块所包含的具体组成部分：1.单片机模块：运算器、控制器、寄存器。2.电压采样模块：电压传感器、运放电路、滤波器、模数转换器、微处理器。3.电流采样模块：电流传感器、运放电路、滤波器、模数转换器、微处理器。4.模拟信号与数字信号转换模块：模拟信号处理器、模数转换器、数字信号处理器。5.供电模块：充电电路、电池管理芯片、稳压器。6.显示模块：OLED屏幕、显示控制器。7.WiFi模块：通信芯片、天线外设电路微处理器。这些模块的相互协作，构成了这个设备的完整功能，能够高精度地测量器件的功率和分析相应的数据。2.4功率计结构框图本设计是一个基于单片机为核心的功率计，其主要功能是对电路中的电流、电压进行采样和处理，最终得出功率值并显示在屏幕上。整个系统分为电压模块、电流模块、A/D转换器、单片机、显示器和WiFi通讯等多个部分组成。首先，电压模块和电流模块对电路中的电压和电流进行采样，采样后信号经过A/D转换器进行数字化处理，然后传送给STM32F103C8T6单片机进行信号处理和计算，最终将数据显示在屏幕上，同时还能上传至云端。单片机通过内部算法和程序对电压和电流进行计算，得出功率值，并将处理后的结果传输给显示器进行显示。同时，该系统还带有一个电池，可以在完全离线状态下使用，提高了其便携性和实用性。总的来说，本设计具有采样精度高、计算准确、显示清晰和安全可靠等特点，可以广泛应用于各种电路的功率测量和分析。功率计原理框图如图2-1所示：图2-1功率计原理框图第3章硬件模块设计3.1单片机模块本设计运用的核心控制元件是单片机STM32F103C8T6，它是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款32位ARMCortex-M3内核的单片机。它具有高性能、低功耗、丰富的外设和强大的处理能力，适用于各种应用领域，如工业自动化、消费电子、医疗、通信、汽车等REF_Ref16173\r\h[15]REF_Ref16193\r\h[16]。该芯片集成了128KB闪存、20KBSRAM、4KBEEPROM，支持多种通信接口，如SPI、I2C、USART、CAN等。它还具有高精度的模拟电路，包括12位ADC和12位DAC，可用于各种传感器和控制器的数据采集和输出REF_Ref16787\r\h[17]REF_Ref16794\r\h[18]。STM32F103C8T6还具有多种外设，如定时器、PWM输出、DMA、中断控制器等，可实现各种复杂的应用REF_Ref16813\r\h[19]。同时，该芯片还支持低功耗模式，可最大限度地降低功耗，延长电池寿命。除此之外，STM32F103C8T6还具有灵活的开发环境和丰富的开发资源，如ST-Link调试器、KeilMDK-ARM开发工具、CubeMX配置工具等，可大大简化开发流程，提高开发效率REF_Ref17665\r\h[20]。总之，STM32F103C8T6单片机具有卓越的性能、广泛的功能、以及轻松上手的开发特点适用于各种应用场景。3.1.1STM32F103C8T6芯片优缺点单片机STM32F103C8T6是一款功能强大的微控制器，具有以下优点：1.高性能：最高主频达到72MHz，可以快速响应各种任务。2.丰富的外设：包括多个通用定时器、ADC、DAC、USART、SPI、I2C等，可以满足各种应用需求。3.大容量存储：具有64KB的Flash存储器和20KB的SRAM存储器，可以存储大量的程序和数据。4.低功耗：支持多种低功耗模式，可以节省能源，延长电池寿命。5.多种封装：支持多种封装形式，包括LQFP48、LQFP64、LQFP100等。6.易于开发：STM32F103C8T6支持多种开发工具和开发环境，如Keil、IAR、STM32CubeMX等，开发起来相对容易。7.可靠性高：STM32F103C8T6具有较高的可靠性和稳定性，可以保证系统的稳定运行。缺点如下：1.价格较高：STM32F103C8T6的价格相对较高，可能会增加项目成本。2.开发难度较大：虽然STM32F103C8T6支持多种开发工具和开发环境，但对于初学者来说，开发难度可能较大REF_Ref17780\r\h[21]。综上所述，单片机STM32F103C8T6具有高性能、丰富的外设、大容量存储、低功耗、多种封装、易于开发和可靠性高等优点，但也存在价格较高、开发难度较大等缺点REF_Ref17212\r\h[22]。3.1.2STM32F103C8T6引脚分布及连接STM32F103C8T6是一款基于ARMCortex-M3内核的微控制器，它一共有48个引脚，其中包括了多种不同类型的引脚，如GPIO、ADC、USART、SPI、I2C等。以下是本设计运用的引脚及功能介绍：1.PA0-PA15：GPIO引脚，可用于输入输出控制，也可以用于中断输入。2.PB0-PB15：GPIO引脚，可用于输入输出控制，也可以用于中断输入。3.PC13-PC15：GPIO引脚，可用于输入输出控制，也可以用于中断输入。4.PB10、PB11、PB12、PB13、PB14、PB15：I2C引脚，用于I2C通信。5.PB0、PB1：ADC引脚，用于模拟信号采集。6.PA8、PA11、PA12、PA15、PB3、PB4、PB5：TIM引脚，用于定时器功能。以上是STM32F103C8T6的引脚功能介绍，不同的应用场景需要使用不同的引脚功能。如图3-1为单片机系统连接图。图3-1单片机系统连接图3.2HLW8032采样模块HLW8032是一款高精度电能计量集成电路，具有先进的CMOS制造工艺，主要针对单相电力用户设计。该芯片可以同时测量线电压和电流，并计算得出有功功率、视在功率和功率因素等参数。HLW8032芯片内部具有两个高精度的∑-Δ型ADC和一个电能计量内核，可以对电能进行准确地计量。此外，芯片还支持UART数据通讯，5V供电和内置3.579M晶振，采用8PIN的SOP封装，方便设计与集成。HLW8032芯片通过内置的ADC实现模数转换，隔离了光电耦合电路并与主控芯片通过USART通信，从而计算出电流有效值、电压有效值、有功功率值和电能用量等电参数标量。该芯片的优点包括高精度、低功耗、高可靠性和适用于恶劣环境等特征。因此，该芯片特别适合单相两线制电力用户用于电能计量。3.2.1HLW8032非隔离采样为了分压，电路要使用3到4个0805电阻。但是，使用单一的电阻可能会遇到耐压不足的问题。可能会被高电压击穿，从而导致电路崩溃。因此，选择鏮铜电阻作为可行的替代品。电路中的火线采样电路需要使用R8到R12和C4等器件。由于模具体积受限，这些器件可以使用较小的0603封装来替换。另外，在采样电路中，锰铜采样电阻也可以考虑采用更大功率的2512封装的贴片电阻来替代，以确保其耐压能力和稳定性如图3-2所示。图3-2非隔离采样电路3.2.2HLW8032隔离采样根据图3-3所示，电流互感器产生电流信号，该传感器的输出为电流信号，并使用电阻R2来将其转换为电压信号。因此，经过R2电阻后，传感器输出的电流会形成通过R2、R3的压差信号。对应着一个电压信号。需要注意的是，电流信号采样端口的最大输入范围为30.9mV。在电路中，电流型电压互感器的输出最大为2mA。电流互感器的变比为1000:1，即每1A的电流在输入端口会对应1mA的电流信号输出。另一方面，电压互感器的变比为1:1。在电路中，电阻R8具有限流作用。因此，通过电流互感器和电阻R2，信号转换为电压信号；通过电压型互感器和电阻R8，信号被限流。这整个电路的特性是将电流信号转换为电压信号，然后根据电压信号通过电路限流处理，从而实现了对信号的模拟处理。图3-3隔离采样3.3光藕隔离输出电路光藕隔离输出电路可以将输入信号和输出信号隔离开来，从而保护设备和人员的安全。在这种电路中，输入信号通过光藕传输到输出端，而不是通过电线传输。这种设计可以有效地减少电磁干扰和噪声，并提高系统的稳定性和可靠性。本电路采用的PS2501芯片，它具有高速开关特性和高隔离电压，可用于数字和模拟电路的隔离和信号转换。该芯片采用双向光藕隔离技术，可以实现双向信号传输，同时具有高噪声抑制能力和高电压耐受能力芯片连接图如图3-4所示。图3-4光藕隔离输出电路3.4供电模块电源模块主要为功率计提供稳定的电源供应，同时具有过载保护、过压保护等安全措施。为了使用方便并且满足使用的设计需求，本项目选择了MicroUSB接口供电如图3-5所示，同时还可以运用内置锂电池的方案。采用经典的TP4056芯片来管理锂电池的充放电。所使用的锂电池容量为700mAh，尺寸编码为642745，即长64mm、宽27mm、厚4.5mm。TP4056是一种常用的锂电池充电管理芯片，通常用于单节锂电池的充电。工作原理：TP4056通过控制充电电流和充电状态来实现对单节锂电池的充电管理。它可以监测电池电压和电流，并根据设定值调整充电电流和充电状态。充电特性：TP4056是一款充电芯片，它支持最大1A的充电电流，电池充电有两种方式，一种是恒流充电，另一种是恒压充电。在恒流充电中，电池的充电电流保持不变，直到电池电压达到预设的恒压值，此时电池会自动转入恒压充电模式。在恒压充电模式中，充电电流逐渐降低，一直到电池电压到达终止充电电压，充电结束。这样可以保证电池充电的安全性和充电效率。安全保护：TP4056具有多种安全保护功能，其包括过电压保护、过温保护、欠压保护和短路保护。当出现异常情况，TP4056会自动切断充电，以保护电池和电路的安全。TP4056具有高效充电功能可以支持最高1A的充电电流，能够快速充电单节锂电池，提高充电效率。安全保护包括过电压保护、欠压保护、过温保护和短路保护等，能够有效保护电池和电路安全。简单易用TP4056的设计结构简单，使用方便，只需要外接几个电容和电阻即可完成基本充电管理功能。小巧精致、成本低廉等优点。相关电路如下图3-6所示。图3-5MicroUSB供电图3-6TP4056连接图3.5OLED显示模块本设计显示模块是采用了一块0.96寸的OLED显示屏幕，显示效果丰富，方便用户直观地了解当前的状态。显示相应的电流、电压、功率等数值，同时还能显示电能。作为一个精密功率计设备，显示模块是一个必不可少的模块，主要用于用户输出通道，本设计大部分数据是通过屏幕向用户展示。可以用来实时显示采样到的电流或电压变化等数据。SSD1306是一款低功耗的OLED显示屏控制器芯片，由SolomonSystechLimited公司设计和生产REF_Ref9806\r\h[23]。它可以控制128x64像素或128x32像素的OLED显示屏，支持SPI和I2C通信协议。SSD1306具有内置的RAM，可以存储显示数据，同时还支持8位和16位的灰度级别。SSD1306的特点包括：低功耗：SSD1306的工作电压范围为3V到5V，最大电流仅为15mA，非常适合低功耗应用。高对比度：OLED显示屏具有高对比度和鲜艳的颜色，SSD1306可以控制OLED显示屏的亮度和对比度，使显示效果更加清晰。内置控制器：SSD1306具有内置的控制器，可以直接控制OLED显示屏的像素点，无需外部控制器。多种接口：SSD1306支持SPI和I2C通信协议，可以与各种微控制器和单片机进行通信。灵活性：SSD1306可以通过软件控制显示模式、显示方向、像素亮度等参数，具有很强的灵活性。总之，SSD1306是一款功能强大、低功耗、高性能的OLED显示屏控制器芯片，广泛应用于智能手表、智能家居、医疗设备、工业控制等领域。屏幕如下3-7所示。3-7OLED屏幕3.6WIFI模块本设计测量出的数值可上传至云端，可在屏幕上直接观测。同时也可以在手机APP中显示相应数值，但需要系统设备和手机在同一局域网内方可传输数据。本设计运用的ESP8266模块，ESP8266是一种低成本、低功耗、高集成度的WiFi模块，由中国厂商乐鑫（Espressif）推出。该模块可以作为独立芯片使用，也可以作为其他微控制器的外设使用，具有极高的灵活性和可扩展性。ESP8266模块内置了TCP/IP协议栈，可以直接与互联网进行通信，支持STA/AP/AP+STA三种工作模式。它还具有GPIO、PWM、ADC、SPI、I2C等多种接口，可以方便地与其他外设进行通信。ESP8266模块可以通过AT指令进行控制，也可以使用官方提供的ESP8266固件进行编程。此外，ESP8266还支持Arduino、MicroPython等多种开发平台，方便开发者进行开发。由于其低成本、高性能的特点，ESP8266模块被广泛应用于智能家居、物联网、远程控制等领域。如图3-9为本设计实物的WiFi模块。图3-9WiFi模块要实现系统和手机APP的连接，并实现数值显示和分析，需要以下步骤：1.确定通信协议：选择一种通信协议，如WiFi、蓝牙等。在本例中，选择WiFi通信协议。2.配置ESP8266模块：使用AT指令或固件编程，配置ESP8266模块的WiFi连接参数，如SSID、密码、IP地址等。3.编写系统代码：编写系统代码，通过ESP8266模块与手机APP进行通信。在本例中，使用Arduino开发平台编写代码。代码需要实现以下功能：-与ESP8266模块进行通信，发送和接收数据；-读取系统中需要显示和分析的数值，并将其发送给手机APP；-接收手机APP发送的指令，如控制系统开关、设置参数等。总之，要实现系统和手机APP的连接，并实现数值显示和分析，需要进行系统和手机APP的编程，以及通信协议的选择和配置。如下表3-1为管脚功能定义。表3-1管脚功能定义脚序名称功能说明1GND接地2I02GPI02/UART1_TXD3I00GPI00;下载模式；运行模式；外部拉低4RXDUART0_RXD/GPI1035TXDUART0_TXD/GPI016EN芯片使能端，高电平有效7RST复位8VCC3.3V供电（VDD）;外部供电电源输出电源在500mA以上第4章软件设计4.1系统软件介绍在本项目中，C语言被用于编写单片机的固件代码，用于控制外围电路，实现各种功能，如采样、转换、显示和报警等功能。为了编写和调试这些代码，选择了Keil软件作为开发工具。同时，绘制电路原理图的软件选取的嘉立创EDA。4.1.1keil软件在Keil环境下，可以使用KeilC编译器来编译单片机代码，生成可执行文件，也可以使用Keil的仿真器进行单步调试和实时调试。在编写代码的过程中，可以使用Keil提供的各种库文件和函数来简化编程的难度。具体来说，本项目使用的MCU是STM32F407VE，因此需要使用STM32的相关库文件。这些库文件包括CMSIS（CortexMicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard）和STM32的标准外设库。CMSIS提供了一组通用的API，用于访问微控制器的内存映射寄存器，这些寄存器控制着各种外设的行为。STM32的标准外设库则提供了一组API，用于访问STM32的各种外设，如ADC、SPI、I2C、USART等。在本项目中，使用了CMSIS和STM32的标准外设库来实现各种功能。例如，使用ADC库来读取电流和电压数据，使用GPIO库来控制LCD显示屏和LED指示灯，使用USART库来与PC机通信等等。在编写代码时，还需要了解STM32的寄存器和外设的工作原理和操作方式，以保证代码的正确性和稳定性。总之，使用C语言和Keil软件是实现本项目的关键步骤之一，它使可以轻松地编写、调试和优化单片机代码，从而实现功率计的各种功能。如图4-1为keil系统开发环境。图4-1keil系统开发环境4.1.2嘉立创EDA本文使用的绘图软件是立创EDA，这是一款专门为中国人设计的基于浏览器的EDA设计工具。该软件由中国人独立开发、拥有独立自主知识产权，并归属于深圳市嘉立创科技发展有限公司。由嘉立创EDA团队开发。立创EDA服务于广大电子工程师、教育者、学生、电子制造商和爱好者，致力于中小原理图、电路图绘制、仿真、PCB设计以及提供制造便利性。该软件拥有超过100多万在线免费元件库，并且在实时更新。在设计过程中，用户可以检查元器件库存、价格并立即下单购买，从而缩短设计周期。该软件的优点包括易用性高、功能性强、兼容性好、稳定性高等；然而，该软件可能存在的不足包括部分功能不够完善、某些仿真模型不够准确、PCB设计规范有待完善等。在使用嘉立创EDA软件之前，需要先进行软件的安装和设置。首先，下载并安装了最新版本的嘉立创EDA软件，并进行了相关的设置和调试。在软件的使用过程中，按照软件提供的操作指南进行了相关操作，并进行了多次的实验和调试。嘉立创EDA软件具有多种功能和特点，包括原理图设计、仿真和布局等方面的功能。其中，设计原理图的功能使得电路原理图的设计和编辑更加方便；仿真功能可以模拟和分析电路，以验证电路的性能和可行性；布局功能可以对电路进行布局和优化，从而提高电路的稳定性和可靠性。在本研究中，使用嘉立创EDA软件设计了一款电路原理图，该原理图包括多个元件和连接线，用于实现特定的电路功能。其中，选择了合适的元件，并进行了合理的连接和布局，以实现电路的稳定性和可靠性。通过对该电路进行仿真和分析，验证了电路的性能和可行性。嘉立创EDA软件具有直观易用、功能全面、支持多种元器件等优点，但也存在一些局限性，如操作复杂、需要较高的计算机配置等。在本研究中，发现该软件对于电路设计具有较好的应用效果，但在电路布局方面仍有待改进。如图4-2为嘉立创EDA软件界面图。图4-2EDA制图软件界面图4.2系统程序流程图本设计的程序采用了STM32F103C8T6作为控制器，通过编程实现了电流和电压的采样、数据处理和显示等功能。程序的主要逻辑如下和程序流程图为4-3所示：初始化系统：包括初始化ADC、GPIO、OLED显示屏等模块。采样电流和电压：通过ADC模块采集电流和电压数据，并进行模拟信号和数字信号的转换。数据处理：对采样数据进行滤波、校准和处理，得到最终的电流和电压值。显示数据：将电流和电压值显示在OLED屏幕上。数据传输：将测量到的数值处理并传输至云端。图4-3程序流程图4.3屏幕显示程序在电路中，经过采样后的电流和电压信号需要进行处理，以计算出电路中的功率等值。这个过程通常需要使用单片机来完成。单片机可以根据采样到的电流和电压值，通过内部算法计算出功率等值，并将结果传递到显示屏上。在OLED显示屏上，用户可以直观地观察到电路中的功率等值，从而判断电路是否正常工作。这个过程中，单片机起到了关键的作用，它不仅能够完成数据的处理和计算，还能够将结果传递到显示屏上，实现了电路的实时监测和控制。如流程图4-4所示为屏幕系统流程图。图4-4屏幕流程图4.4WiFi串口程序流程图 WiFi串口模块在上电时会进行初始化和自检，以确保其正常工作。它会尝试连接预设的WiFi网络，如果连接成功，会发送一个确认信号，否则会发送一个错误信息。在连接过程中提示灯蓝灯将持续闪烁，直至连接为止。该模块会监听串口上传来的数据，并将其存储在缓冲区中。一旦缓冲区中有数据，模块就会将其传输到云端。传输的方式可以通过云端API或其他网络协议来实现。传输完成后，该模块会等待新的数据。当模块不再收到数据时，它会停止传输并进入休眠模式，以节省能源。该模块的功能可以用于实现远程数据传输、物联网设备连接等应用场景。如图4-5所示为WiFi串口流程图。 图4-5WiFi串口流程图第5章安装与调试前几章介绍了小型便捷精密功率计的研究内容和系统设计的意义，以及控制系统总体方案、系统硬件设计和系统软件设计的过程。本章将对前面设计的硬件和软件系统进行功能验证和结果分析。硬件安装该系统主要由四个模块组成：WiFi模块、显示模块、单片机核心模块和电能计量模块。在设计过程中，首先使用进行原理图绘制和设计。根据设计需求，我们绘制了各模块原理图。这些原理图是整个系统的核心，它们决定了系统的功能和性能。在制作过程中，需要焊接元器件、安装各模块并进行合理的布局。焊接是整个制作过程中最为关键的一步，因为焊接质量直接影响整个系统的稳定性和可靠性。因此，我们需要注重焊接质量，避免出现焊接不良、短路等问题。在安装各模块时，需要考虑到它们的相互作用和影响。例如，WiFi模块需要与单片机模块进行通信，因此它们需要相互靠近，以便进行连接。同时，还需要考虑到整个系统的美观和易用性。模块布局如图5-1所示。图5-1小型便捷精密功率计模块布局图5.2测试环境搭建本文精密功率计系统由硬件系统和软件系统构成，在系统硬件中主要分为电流采样、电压采样、供电、显示WiFi等模块构成，软件系统由程序代码和测试软件构成，实现各个功能。程序代码采用模块化设计思想，大大降低了程序设计难度和开发时间。软件测试环境搭建如图5-2所示。软件测试搭建主要分为：第一步：手机安装机智云APP，打开机智云APP，注册登录APP账号，配置WiFi模块入网。第二步：插上USB接头，给电路板供电，按一下电路板上的按键，开始进入配网模式，网络未连接时OLED屏幕上WiFi图标不显示。第三步：打开手机机智云APP，点击添加设备。输入路由器WiFi的账号和密码，手机开始添加设备，这个过程可能需要几十秒。添加设备成功后，APP会出现添加的设备。点击设备名称会进入，看到设备的检测的各个数据。图5-2软件测试环境5.3系统功能测试这种验证方法通过对设计控制系统实际进行测试，以检查系统是否能满足设计要求，从而验证设计的实际效果。这种方法主要验证控制系统是否符合项目的核心功能和是否存在子控模块之间的功能冲突。需要强调的是，这种验证方法并不会验证系统所有功能，只验证核心功能的实现。如表5-1所示。表5-1测量数据电压（V）电流（A）功率因数有功功率（W）1000.50.84022010.922023730.9571115020.92300500.10.8555.4显示模块测试通过对小型便捷精密功率计的显示模块进行测试，验证其显示准确度和稳定性。测试结果表明，该显示模块的显示准确度高，能够准确显示电流、电压、功率和功率因数等参数，同时稳定性也很好，不会出现闪烁或跳动等现象如图5-3所示。图5-3屏幕显示结论根据国内外现有技术对小型便捷精密功率计进行相应的方案设计，本设计选用了STM32F103C8T6单片机为主控制芯片，来控制各模块的相互运行，主要分析了该系统的各个电路模块以及软件部分的流程程序设计。在电流采样模块的设计和电压采样模块设计中，着重研究和分析高精度的指标，以确保整个电路的精度。通过合理的电路设计的研究。同时结合市场需求不断的对采集电路进行优化和改良。通过调试与安装的过程中，满足本设计的各功能要求，最终实现预期的目的。本文采用了多种技术手段来实现功率计的设计和开发。实现了对系统中功率、电压、电流、电能等参数的测量和分析。该功率计具有高精度、高稳定性、高可靠性等特点，可广泛应用于各电力系统中。虽然完成了整个功率计设计，最终也能实现预期要求，但在设计过程中，我也遇到了很多问题和困难，例如硬件电路的绘制、元器件的选型、程序的编写等。但通过不断的学习和实践，逐渐掌握了解决问题的方法和技巧，提高