基于STM32的多功能电能表的设计(毕业设计).docx

a劲也学欲本科毕业设计论文题目：基于STM32的多功能电能表的设计专业：自动化班级：自动化Ill学号:*学生姓名:*指导教师：*起止日期：2023.22023.6设计地点：GraduationDesign(Thesis)TheDesignofThree-phaseMulti-functionalPowerMeterBasedonSTM32By5CSupervisedbyProf.*>*>SchoolofAutomationJune,2023摘要电能表作为测量电能的工具，是连接电力用户和电能之间的一座"桥梁"，随着电能在人们生活中的地位越来越重要，它与人们生活之间的联系也更加地紧密。虽然电能表也在不断地开展，但是局限于功能单一，传统的电能表已经满足不了用户对其越来越高的要求。本文采用STM32F103RC型号的微控制器作为主控芯片，设计了一款实用性强、结构简单的多功能电能表。在设计电能表硬件和软件的过程中，都采用了模块化的设计思想。其中，多功能电能表的硬件局部主要包括主控模块、电源转换模块、电压电流采样模块、EEPRoM存储模块、LCD段码显示模块、按键输入模块和RS485通讯接口模块。并且利用软件编译平台MDK进行了软件局部的设计，主要包括主程序、系统初始化程序、电量处理程序、键盘中断程序以及LCD段码显示程序。本文最后完成了多功能电能表的系统调试，对经过采样和调理得到的电压、电流信号进行计算，并完成显示，而且通过按键的选择实现了显示屏的切换，根本实现了多功能定能表的预期功能。关键词：电能表；STM32F103；段码LCD；RS485ABSTRACTElectricitymeterconnectsa,bridgebetweenpowerusersandpowerthatusedasakindofmeasurementtool.Thelinkbetweenitandthepeople'slivesmoretoclosewiththepowerpositioninpeople'slivesincreasinglyimportant.Whilethemeterisconstantlyevolving,butlimitedtoasinglefunction,theconventionalmetershasfailedtomeetthegrowingdemandsofitsusers.Inthispaper,usingthetypemicrocontrollerofSTM32F103RCasthemasterchip,designedapractical,simplestructureofmulti-functionmele匚Intheprocessofthedesignofmeterinhardwareandsoftware,haveadoptedamodulardesignthinking.Amongthem,thehardwarepartofthemulti-functionmeterincludescontrolmodule,powerconversionmodules,voltageandcurrentsamplingmodule,EEPROMmemorymodule,LCDsegmentdisplaymodule,akeyinputmoduleandRS485communicationinterfacemodule.AndusingsoftwareplatfbnMDKdesignsthesoftwarepart,includingthemainprogram,thesysteminitializationprocedure,powerhandlerprogram,akeyboardinterruptprogramandLCDsegmentdisplayprogram.Finallycompletedthesystemdebuggingofthemulti-functionmeter,thevoltageandcurrentsignalsobtainedthroughsamplingandconditioningwerecalculated,andcompletethedisplay,butalsothroughtheselectbuttontoswitchthedisplayThebasicrealizationofthemulti-functionwillbeabletowatchtheintendedfunction.Kevwords:PowerMeter;STM32F103;segmentLCD；RS485目录第一章绪论11.1 电能表1电能表的概念1电能表的开展11.1.3电能表的开展现状21.2 多功能电能表3多功能电能表的现状3多功能电能表存在的问题31.3 电能表的开展前景41.4 课题研究背景及内容4课题研究背景4课题研究内容4第二章多功能电能表硬件设计52.1 整体方案设计52.2 主控芯片的选择52.2.1 STM32F芯片简介52.2.2 STM32F芯片优势62.3 硬件电路设计62.3.1 主控电路设计62.3.2 采样电路设计82.3.3 按键显示电路设计92.3.4 RS485通讯电路设计102.3.5 存储电路设计112.4 本章小结11第三章多功能电能表软件设计113.1 软件设计113.1.1 软件开发平台MDKIl3.1.2 软件设计流程123.2 主程序设计123.3 初始化子程序设计133.4 采样程序设计143.5 计量程序设计153.5.1 计量算法的介绍153.5.2 ADC数据转换原理163.5.3 计量算法程序设计173.6 显示程序设计173.7 按键处理程序设计183.8 本章小结19第四章系统测试及实验194.1 采样电路模块测试194.1.1 采样电路仿真测试194.1.2 采样电路测试204.2 ADC模块调试204.3 显示模块调试214.4 本章小结21第五章总结与展望215.1 工作总结215.2 展望22致谢23参考文献23附录A：硬件设计原理图与PCB图25第一章绪论1.1 电能表电能表的概念从概念上来说，电能表就是用来计算一段时间内消耗电量值的专用仪表，通常也被叫做电度表和火表。电能表根据其他差异的方面也可以被划分到不同的范畴，比方按照使用途径进行分类，就可以将其分为单相电能表、有功电能表以及多功能电能表等等。此外还可以按照电能表的工作原理、接入电源的性质以及接入的相线数来进行仔细的分类。电能表的开展随着科技的快速进步，电能表在不断地更新换代，以应对人们对于功能和性能越来越高的要求。总结其开展的脚步，大致可以概括如下：(1)感应式电能表在人们还没开始对于交流电进行开发和应用的时期，第一台直流电能表就被科学家利用电解原理创造出来。尽管其测量精度不尽人意，并且只能局限于测量宜流电，但是对于推动电能计量表的开展而言，意义重大。在人们掌握了交流电利用方法后，科学家们就依照旋转磁场理论创造出了用于计量交流电量的感应式电能表。由于感应式电能表具有较为简单的结构，制造本钱低，平安性高，寿命长久，易于维修等特点，因而得到了普遍的应用。并且在接下来的很长时间里，人们都致力于感应式电能表性能和功能的完善。但是，随着现代电力系统的不断开展，高次谐波的出现对传统感应式电能表提出了挑战。在高次谐波的影响下，感应式电能表的优点被"淡化"，原先"隐藏"在暗处的缺点得以放大。不仅测量精度和测量频率不能满足现代工业的要求，而且由于感应式电能表制作原理的局限性，功耗问题已经变成一个不容无视的事实。功能单一的感应式电能表渐渐被现代工业和现代的电力用户所“抛弃"。(2)机电式电能表在人们对电能表功能和性能要求不断提高的情况下，发现可以将电子电路应用到感应式电能表，保持制作的根本工作原理不变，使得感应式电能表功能得到进一步的改善，创造出机电式电能表。机电式的电能表又常常因为它的工作原理被称为脉冲式的电能表，它是利用机体发出电脉冲，依据光电转化原理进行工作，从而完成电能测量的。机电式电能表在传统感应式电能表的根底上进行了改良，突破了原先存在的局部局限性，使用寿命延长，抗干扰能力进一步加强。但是由于其制作和利用的工作原理及理论在本质上与感应式电能表一致，因而仍然没有方法克服测量频率范围窄、测量精度缺乏的缺点。但是机电式电能表的出现和应用，激发了人们创造全电子式电能表的动力，并且提供了新的思路。(3)电子式电能表电子式电能表的创造得益于功率测量原理，这个原理是由日本科学家首先提出，并且很快就将其应用到实践中。由于电子式电能表是在机电式电能表提出旋转结构的根底上得以实现的，因而又被叫做静止式电能表。由于制作和工作原理得到了改良，电子式电能表能够突破以往电能表的很多局限之处。测量精度得到了大幅度的提高，寿命进一步延长，测量的频率范围已经从开始的窄频带得到了很大的拓展，可以实现几千赫兹的频率跨度。同时，对于高次谐波的抗干扰能力得到了大幅度的提高，高功耗问题也得到了一定的解决，迎合了现代工业的要求，因而电子式电能表很快就取代了其他的电能表，在全球范围内都得到了广泛的应用，并且性能在不断地得到改善。全球科技竞争愈演愈烈，电力电子技术以及通讯技术“全面开花"，科技越兴旺，电能表的性能越优越。如今，电子式电能表有了更长久的寿命，更精巧的外形，更精确的测量精度，更强大的抗干扰能力。实用电能表向功能多元化开展前进是不可逆转的一个大趋势。1.1.3电能表的开展现状由于开展中国家和兴旺国家的科技开展水平不同，电子式电能表在兴旺国家的应用更为普遍。日本早在上个世纪70年代就首先研制出电子式电能表，欧美兴旺国家更是紧跟其后不断研制出性能更加完善的电子式电能表，并且仅仅用了十年的开展时间，就推出了性能优越、功能完善的全电子式多功能电能表。现在的事实就是，工业兴旺的国家在电能表市场上占据了绝对性的不可撼动的位置。中国作为一个开展中国家，由于经济和科技的双重原因，在电能表的自主研发领域起步较晚。直到上个世纪90年代，我国自主研发电能表的事业才真正起步。近年来，我国创新意识被唤醒，科技得到快速的开展。能够自主研制电能表的企业，无论是在数目上还是在技术上都有了质的飞跃，在技术的改良与创新的过程中，己经出现了少数可以在技术和口碑都领先于国际水平的企业。但是从整体角度出发，我国的科技创新水平还是落后于兴旺国家和工业兴旺的西方国家，在电能表的研制方面还要做出更多的努力和创新。1.2 多功能电能表多功能电能表的现状剧烈的市场经济下，电能表只有不断地改良和完善工作性能才能立足。单一功能的电能表早已不能满足市场和用户的需求，为了适应市场的开展、用户的期望，多功能电能表很快就被创造出来并得到应用。从功能上讲，多功能电能表就是指除根本电压、电流等电量的测量、有功和无功功率的计量外,还应具有分时、通讯等两种以上的功能,并且还要具有存储、显示、传递数据以及和上位机之间进行通讯的功能。多功能电能表在我国起步较晚，近几年才开始有了长足的进步。另外我国地域广阔，南北、东西经济开展水平差距大，在一些经济兴旺的主干城市己经开始普及多功能电能表。但是在经济较为落后的农村仍然沿用传统的单一功能的电能表，负责抄表的工作人员工作强度大、工作量多，并且工作效率低，特别在外部环境恶劣的情况下。这就迫切要求制作电能表的厂商应该从实际出发，研制出更加实用方便的多功能电能表，加大多功能电能表普