【智能配电终端的主要模块硬件和软件设计案例6300字】

智能配电终端的主要模块硬件和软件设计案例1智能配电终端的主要硬件模块1.1电气模拟量采集模块1.1.1电压采集模块设计我们采用stm32F1精英版单片机作为我们的主控元件，由于stm32只能采集1.3V以下的直流电压，其他电气量不能采集，我们的测试线路是220V的电路，因此不能对该线路电压进行直接采集，在不影响母线的情况下，使用电压互感器，降低相应的电压，然后使用霍尔电压传感器对交流量进行采集，从而得到单片机可以采集的电压量；我们首先介绍一下需要用的的模块。采用HVS-AS1.3霍尔电压传感器，和ZMPT101电压互感器相互配合来设计电压采集模块。1）霍尔电压传感器（1）传感器原理及内部结构图原理：当原边回来中流过电流时，在磁路中聚集电流流过所产生的磁通量，然后霍尔电压信号便通过霍尔器件检测出，为了能更好第处理这个信号，需要把这个信号进行放大；所以，流过原边回路的电流可以可通过霍尔器件检测出的电压信号精确地反映出来。在磁平衡霍尔电流传感器[16]中，流过原边线圈的电流产生的磁通量；和流过副边线圈所产生的磁通量，在经过霍尔电压放大后两磁通量相大小相等，即是相互平衡的。因此可以说副边电流Is精确地反映原边电流REF_Ref27408\r\h[9]。磁平衡霍尔电压传感器是指：原边电流IR是指加在原边电阻两端的电压是V时，对应的电流就称为原边电流，再通过霍尔电压传感器原理，原边磁通和副边磁通量相互平衡，这样就可以由副边电流精确地体现出原边电流；且使用方便，这就是霍尔电压传感器原理。图3-1HVS-AS1.3封装图及内部结构说明：VR为参考电压，仅便于后续采集时的差分值使用，大部分情况可不用，不用时作为器件的固定位置，悬空即可，不能接地。输出计算公式如下：1.65±(0.625×IP÷IPN)IP表示输入的实际电流，I（2）传感器电气特性：CHVS-AS1.3-05CHVS-AS1.3-05额定电流IPN(mA）5.010.0测量范围IP(mA)1020额定输出电压ISN(mA)0.625±0.5%0.625±0.5%工作电压VC(V)+1.3V±5%绝缘电压(V)50HZ，1min,1.0KV该模块虽然为电压传感器模块，但可以用来检测电流，因为其输出的模拟量可以间接知道线路中电流值，因此，在本项目中把它作为电流传感器使用来检测电流，当然，也可以用来表示电压，如当通过阻值恒定的电阻时，测得支路的电流，便可求得电阻两端电压，若把该电阻并联在用电器两端，就可求出用电器两端电压。1.1.2交流电压检测HLW8032模块HLW8032是一款高精度的电能计量IC,它采用CMOS制造工艺，使用场合通常是单相应用。它能够测量线电压和电流，除此之外，对于比较棘手的有功，视在功率，功率因素等都可以较为精确地计算。该器件内部集成了两个∑-Δ型ADC和一个高精度的电能计量内核。HLW8032可以通过UART口进行数据通讯该模块采用5V供电，内置1.579M晶振，8PIN的SOP封装。HLW8032具有精度高、功耗小、可靠性高、适用环境能力强等优点。技术规格由于HLW8032技术指标较大，作为使用者，不需要全部了解，只需要知道关键的几项技术规格即可，参数符号最小值典型值最大值单位正电压VDD2.555.5V电压有效值V-±0.5-%输入采样频率（DCLK=MCLK/K）-MCLK/4-HZ模拟输入电压V-0.3-VDD+0.3V数字输入电压V-0.3-VDD+0.3V数字输出电压V-0.3-VDD+0.3VVDDtoGND-0.3-+6.0V2)工作原理及典型应用图3-3HLW8032典型应用电路(1)引脚功能描述VDD作为芯片电源，供电作用；IP模拟输入，电流差分信号正输入端；IN，模拟输入，电流差分信号负输入端；VP，电压信号正输入端；GND，模块接地端；TX，UART数据输出口，PF，输出口，输出高频方波，占空比为50%；RX，数字输入，UART数据输入口，用户可不使用。典型应用电路如图3-3所示，在HLW8032的电源端，应并联两个小电容，以滤除来自电网高频及低频噪声。电流信号通过锰铜电阻采样后接入HLW8032，电压信号则通过电阻网络后输入到HLW8032。PF、TX直接接入到stm32的输入端，通过公式算计算出电压有效值、电流有效值和有功功率值的大小。电压有效值计算：有效电压=电压系数：电压通道的电阻分压系数，以图3-3为例，电压信号在通过4个470K的电阻和1K电阻进行分压，则电压系数=470K电流有效值的计算;有效电流=电流系数：电流通道的电阻系数，以图3-3位例，采样电阻为R=0.001Ω，则电流系数=1R1.2无线通信模块为了实现单片机与单片机之间相互信息交换；因此采用HC-25WIFI模块实现该要求。使用该模块可以将传统串口设备的数据无线发送到internet网，以实现快速入网。其示意图如下：该模块是基于UART接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，可以实现用户串口数据到无线网络之间的转换REF_Ref28672\r\h[11]。通过UART–WiFi模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络REF_Ref30582\r\h[14]。首先我们应该对串口及其通信原理有一个简单的了解：串口是单片机中很重要的一个外部外设，同时串口也可以进行各种扩展，实现不同功能，而且还是我们调试程序的一种常用手段，所以在STM32的学习中，如何正确高效地使用串口是重中之重。串口是串行通信接口的简称[18]，是一种扩展接口，之所以叫串口，是因为这种接口是采用串行通信方式；串行通信是目前MCU常用的一种方式之一，其一共包括三种方式：单工：数据传输只能从一个方向像另一个方向传递，且不能反向；半双工：数据可以在两个方向互相传递。但在某一时刻，只允许数据从一个方向往另一个方向传输，即两个方向不能同时传递数据；即发送端可以当接收端使用，接收端也可以当发送端使用。全双工：数据可以在两个方向上同时传输REF_Ref29655\r\h[12]，例如电话，视屏聊天之类的通信方式。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，需要独立的接收端和发送端REF_Ref30132\r\h[13]。2)串口通信原理串口通信的即通过串口进行数据的发送和接收，该数据表示字节。虽然比按字节传输的方式慢，但是这种发送方式也有优点，当进行数据传递时，只需使用一根线发送数据，然后用另一根线接收数据即可，其使用方式简便，可靠性较高，，较低成本，适用于对通信速度要求低的场合；且能够实现远距离通信。串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。串口通信在通信方式中属于异步通信。串口通信中最重要的参数有：波特率、数据位、停止位和奇偶校验。要想两个端口进行相互通信，这些参数必须相互匹配：a，波特率：它是表征通信速度的参数。即每秒钟传送的字节的个数。虽然波特率越高表示传递的速度越快，越低表示越慢，但波特率也不是越高越好，，经过科学的研究，波特率和距离成反比。因此当距离不远的设备要进行通信时，常选用高波特率，而距离较远就只能降低传输速度，改用较低的波特率。b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际表示的数据可能是其他位，不一定是8位，如标准的值是5、7和8位。设置方式由你期望发送的信息决定。使用7位数据来表示一个数据包。每个包可理解为一个字节，这个字节由八位字组成；其中包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。传输线上传输的数据通过定时方式传输的[17]，而且每一个装置都通过自己的内部时间来协调对应的工作，这样可能导致设备之间出现不同步，不协调。所以，停止位又多了一个功能，不但可以表示传输结束，还可以起一定的缓冲的作用，来帮助计算机实现时钟同步。需要说明的是，停止位的位数越多，表示可以能协调设备间的同步时间就越长，校准同步时钟的机会也就越大，在设计使用中，应根据实际的情况合理地设置停止位。d，奇偶校验位：在串口通信中，经常作为一种检错方式。它有四种检错方式：偶、奇、高和低。在实际场合，其实也可以不使用校验位。当使用偶和奇校验位进行验证时，为了保证传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位，通过设置校验位，用一个值来确保上述情况。在本设计中，为了实现单片机间能实现相互通信，HC-25模块与单片机的接线须使用如下接线方法，即把串口传输数据改变成WiFi模式下传递数据，而使用者不需要了解串口怎么变成WiFi，我们关心的是能实现相互通信即可，而不考虑其中的深层次通信协议等问题，只需要掌握其怎么扩展，怎么传递数据及接收数据即可。图1.5使用方法图1.3继电器输出模块该部分主要作用是当线路出现故障时，在stm32的控制下可断开故障点，使线路正常运行。为了方便控制，选择SRD-05VDC继电器模块用来控制线路继电器工作原理：当在线圈两端通入电压，该电压大小与继电器型号有关，一般5V；由中学物理知识可知，当处于磁场的线圈流过电流时，会产生电磁力，在电磁力的作用下时，衔铁通过克服弹簧的拉力，使弹簧压缩，然后吸向铁芯，从而实现继电器动触点与静触点结合在一起，达到闭合的效果。当电流断开后，电磁力消失，由于弹簧具有反作用力，这时候没有其他力克服它，所以衔铁就会在弹簧力的作用下返回原来的位置，使得动静触点相互分离，出现断开的效果。通过通电，断电，从而实现继电器的导通，断开，实现控制电路导通，断开；实现用小信号控制大电压，大电流的目的。一般继电器都有两种工作方式，即“常开，常闭”状态：当继电器线圈中无电流通过通电，若继电器处于断开状态，可称为常开触点若继电器处于接通状态，则称之为常闭触点。且继电器一般同时拥有两种控制电路，分别为低压控制电路和高压控制电路，即低电压时继电器动作或者高电压时动作，根据实际情况二选择不同类型，以实现控制目的。2）产品特点及接口介绍本模块采的设计是双面FR-7线路板；同时拥有电源和继电器动作指示，当继电器吸合时，即闭合状态，指示灯亮；反之，继电器断开则不亮；当低电平信号在输入端时，公共端与常开端便会接通，继电器处于导通状态；VCC与GND分别接接电源正极和负极对模块供电，IN是继电器模组信号触发端，分为高电平和低电平触发，顾名思义，高电平触发是指当触发端有达到触发的电压时，继电器动作，变成吸合状态；而低电平触发则是当触发端有0V电压或者一个较低的电压时，继电器动作，变成吸合状态。3）电路原理图图3-6由图3-6电路原理图可知，当输入高电平时，晶体管T1饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合。当输入低电平时，晶体管T1截止，继电器线圈断电，触点断开。所以晶体管T1作为为控制开关。电阻R1主要起限流作用，降低晶体管T1功耗。电阻R2使晶体管T1可靠截止。二极管D1反向续流，为三极管由导通转向关断时为继电器线圈中的提供泄放通路，并将其电压箝位在+5V上。4）工作原理图图3-6由3-6图左，当继电器线圈两端没有达到要求的电压时，继电器的公共端与常闭端接通。对于图右，当继电器线圈两端两端电压达到要求时，继电器的公共端与常开端接通。第2章智能配电终端模块的软件设计2.1电气量采集模块程序设计首先对单片机ADC采集通道做一个简要介绍，我们使用的单片机是STM32F1,首先他一般有3个ADC，这些ADC可以独立使用，也可以使用双重/三重模式。其次ADC所能测量的电压范围就是VREF-≤VIN≤VREF+，即输入电压范围为：0-3.3V。此外ADC的信号输入通过通道来实现的，采集到的模拟量通过通道输入到单片机中，单片机经过CPU转换后，便得到数字信号。最后ADC的触发源有两类：其一就是通过直接配置寄存器触发；另外，还可以通过内部定时器或者外部IO触发转换。ADC的转换时钟一般不做分频，即与系统时钟一样，通常为72MHz，其采集精度也是相当优秀的，采用12位转换精度。因此STM32自带的ADC采集通道精度完全满足我们的设计需求。该部分的程序主要包括：ADC采集配置程序，除杂程序，转换程序等的编写。电气量模块采集程序流程图如下：图4-1电气量采集模块程序流程图1)ADC采集程序配置包括：开启PA口时钟和ADC1时钟，设置PA1为模拟输入，具体方法是：RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);使能GPIOA时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);使能ADC1时钟；接着设置ADC的通用控制寄存器CCR，配置ADC输入时钟分频，模式为独立模式，通过调用这个函数“voidADC_CommonInit(ADC_CommonInitTypeDef*ADC_CommonInitStruct)”来实现初始化寄存器。还要设置初始化ADC1参数，转换分辨率，转换方式，对齐方式，等相关信息。还要开启ADC转换值，最后才能读取ADC值，这里用到该函数作为读取值：ADC_GetConversionValue(ADC1);得到的数是一个处于0~4096之间的整数值。2）对于除杂程序，编写思路是当STM32开始正常采集模拟量值时，先进行一个延时，避免得到的数据不是正常状态下的值，然后在采集一百次数据存与数组中，然后对这组数组进行处理，只要他们的值在±20内都是有效的，超过这个值便把它去掉，但是若超过10%的数据都在这个范围以外，便重新采集，若还是出现此类情况，则电气量采集模块硬件电路有问题，需要改正。待问题改正后，符合上述约束，得到的数据求其平均值，作为基准值，后续所采集的数据与它作比较，超过某一范围，便可考虑线路中是否出现了异常。当然这个范围还需要模拟故障情况下不断调试才能得出，而且还要避免出现“误动”的情况。3）转换程序相对简单，就是按照比例进行转换，STM32采集范围是0~3.3V。而对应模拟量是0~4096，因此当一次采集到的模拟量是2056时，便可知实际电压为：V即可计算出对应实际电压量，然后根据电压采集模块硬件电路计算出线路中实际电压值。2.2无线通信模块程序设计本设计中无线通信模块就是在串口通信的基础上改良而来，因此需要配置的相应软件也与串口大致一致。首先是串口时钟和GPIO时钟的使能，用到的函数为：RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART2，ENABLE);使能USART2时钟，使能串口2，是为了方便连接WiFi模块，接着设置引脚复用器映射：GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource2,GPIO_AF_USART2);//PA2GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_USART2);//PA3使用这两个函数是为了把PA2,PA3都映射到串口2，接下来还有GPIO端口模式设置和串口初始化设置和使能串口。以上都是一些常规设置，本设计常用到的是串口数据发送与接收函数，其中发送函数：voidUSART_SendData(USART_TypeDef*USARTx,uint16_tData);接收函数为：uint16_tUSART_ReceiveData(USART_TypeDef*USARTx);在完成串口的配置时，准备工作已经就绪，开始编写收发程序：其中发送函数为USART_SendData(USART2,USART_RX_BUF[t])；USART_RX_BUF[t]为定义的一个数组，其中t的最值不应该超过250，而接收数据只需判断USART_RX_BUF[t]是否等于发送时对应的数据，通过两个单片机进行测试，发现可以通过串口进行数据传输，即可成功实现无线通讯。至此，便可通过DTU之间对线路故障的判断，决定开关量的动作，实现自愈功能。2.3触摸屏液晶程序设计本设计采集的显示屏是TFTLCD模块，该模块使用简单，亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但也存在着比较耗电和成本过高的不足，尤其是耗电量较大，当连接入单片机时，单片机便不能给其他模块供电；因此需单独制作电源供电。液晶显示屏的主要作用即是显示，显示当前电气量，及采集的模拟量，还有当出现故障时应当显示故障位置，还有人机交互界面，实现通过触摸屏控制程序在显示信息之前，需要先对它做一些相关的设置：1)设置STM32F4与TFTLCD模块相连，配置相应的管脚。2)接着初始化TFTLCD模块，这部分主要由供