基于STM32的多功能电能表的设计毕业设计.docx
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基于STM32的多功能电能表的设计毕业设计
基于STM32的多功能电能表的设计（毕业设计）
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自动化学院
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111学号：
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学生姓名：
******
指导教师：
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起止日期：
2015.2～2015.6
设计地点：
GraduationDesign（Thesis）
TheDesignofThree-phaseMulti-functionalPowerMeterBasedonSTM32
By
**********
Supervisedby
Prof.******
SchoolofAutomation
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June,2015
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发展，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部分主要包括主控模块、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进行了软件部分的设计，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，基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；RS485
ABSTRACT
Electricitymeterconnectsa"bridge"betweenpowerusersandpowerthatusedasakindofmeasurementtool.Thelinkbetweenitandthepeople'slivesmoretoclosewiththepowerpositioninpeople'slivesincreasinglyimportant.Whilethemeterisconstantlyevolving,butlimitedtoasinglefunction,theconventionalmetershasfailedtomeetthegrowingdemandsofitsusers.
Inthispaper,usingthetypemicrocontrollerofSTM32F103RCasthemasterchip,designedapractical,simplestructureofmulti-functionmeter.Intheprocessofthedesignofmeterinhardwareandsoftware,haveadoptedamodulardesignthinking.Amongthem,thehardwarepartofthemulti-functionmeterincludescontrolmodule,powerconversionmodules,voltageandcurrentsamplingmodule,EEPROMmemorymodule,LCDsegmentdisplaymodule,akeyinputmoduleandRS485communicationinterfacemodule.AndusingsoftwareplatformMDKdesignsthesoftwarepart,includingthemainprogram,thesysteminitializationprocedure,powerhandlerprogram,akeyboardinterruptprogramandLCDsegmentdisplayprogram.
Finallycompletedthesystemdebuggingofthemulti-functionmeter,thevoltageandcurrentsignalsobtainedthroughsamplingandconditioningwerecalculated,andcompletethedisplay,butalsothroughtheselectbuttontoswitchthedisplay.Thebasicrealizationofthemulti-functionwillbeabletowatchtheintendedfunction.
Keywords:
PowerMeter;STM32F103;segmentLCD；RS485
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，比如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。
电能表的发展
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。
总结其发展的脚步，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发明出来。
尽管其测量精度不尽人意，并且只能局限于测量直流电，但是对于推动电能计量表的发展而言，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发明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，制造成本低，安全性高，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发展，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忽视的事实。
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，保持制作的基本工作原理不变，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基础上进行了改进，突破了原先存在的部分局限性，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，因而仍然没有办法克服测量频率范围窄、测量精度不足的缺点。
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
电子式电能表的发明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基础上得以实现的，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进，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”，科技越发达，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发展前进是不可逆转的一个大趋势。
电能表的发展现状
由于发展中国家和发达国家的科技发展水平不同，电子式电能表在发达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，欧美发达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发展时间，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，工业发达的国家在电能表市场上占据了绝对性的不可撼动的位置。
中国作为一个发展中国家，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，科技得到快速的发展。
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，在技术的改进与创新的过程中，已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发达国家和工业发达的西方国家，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
激烈的市场经济下，电能表只有不断地改进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，为了适应市场的发展、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基本电压、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、东西经济发展水平差距大，在一些经济发达的主干城市已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及的力度。
多功能电能表存在的问题
尽管，我国大城市已经在普遍使用多功能电能表，但是仍然存在一些问题。
（1）成本高。
多功能电能表使用方便，但是对于用户来说价格却偏高。
随着功能的进一步扩展，制作成本也在不断抬升，销售价格随着制作成“水涨船高”。
成本对于电能表生产商是一个负担，而价格更是电力用户考虑的因素。
过高的制造成本使得制作商“望而却步”，阻碍了厂商扩展多功能电能表生产规模的决策，不利于产品在市场上的大规模推广。
近几年，由于电力电子器件的发展，制作成本不断下降，成本的问题也会慢慢地得到解决。
（2）安全性。
多功能电能表需要实现的功能较多，传输的数据相应增多，如今市场自由竞争激烈，信息的安全性尤为重要。
这对于传输数据的通信方式是一个严峻的考验。
为了保障电力用户的利益，防窃电技术也将成为将来电能表发展的一种重要的技术支持。
（3）灵活性差。
多功能电能表早就宣称已经朝着智能化和网络化的方向发展，但是智能化也只不过是人们事先将“预见”的可能事件写入程序，不断地进行实时的检测，当发现此类事件发生时才会做出相应的响应，并“自行处理”出现的问题，排除潜在的危险。
当出现人们无法预知的事件发生时，“有大脑”的电能表也就无能为力，失去抵抗的能力。
1.3电能表的发展前景
电子技术的迅速发展，拉动了信息通讯、传感器等技术的发展。
快速发展的技术在满足了电力用户各种期望的同时，也使得其对于电能仪表的要求越来越高，这就要求电能表要在精度、可靠度、便捷性方面有进一步新的改进。
未来多功能电能表的发展方向大致就是高精度化、高可靠性化、网络化和智能化。
（1）高精度。
精度是评判电能表功能好坏的重要指标，精度的高低直接影响到电能表反馈信息的准确性。
市场上大量流通的电能表的精度一般都位于0.2S的水平。
在日程生活中，电能表是要作为测量电能的工具发挥作用的，需要长时间不间断工作。
因而在不同的外界环境下、不同的电能频率下，保持电能表测量精度的稳定性也是十分重要的。
（2）高可靠性。
电子式电能表的制造主要基于电力电子器件，因而电力电子器件的性能直接影响甚至决定了电能表的性能。
因而要保证和提高电能表的可靠性，就必须解决电力电子器件的可靠性问题。
电力电子器件的性能，将是攻破电能表在发展过程中“瓶颈”问题的关键因素。
多功能电能表正在朝着高精度、高安全性、智能化和网络化的方向上发展，关键的技术支持是必不可少的。
这些技术主要有谐波测量技术，通讯技术，软硬件冗余设计技术，抗饱和技术和线性补偿技术等。
1.4课题研究背景及内容
课题研究背景
社会经济的发展，带动电能的迅猛发展；现如今电力系统的发展又成为了国家经济发展和国民生活质量提高的决定性因素。
作为测量电能的仪表，电能表的发展就变成了关系国家百姓生活舒适度的一个重要的工具。
高精度的三相多功能电能表的研制和应用,是适应时代发展的重大项目，并且可以拉动整个仪器仪表业的发展，拥有不可估量的经济价值。
研制功能强大、使用方便、功耗低的电能表也和国家建设“资源节约型、环境友好型”的社会理念相契合。
课题研究内容
本课题旨在从实际需求出发，设计一款经济实用且结构简单的多功能电能表。
首先要了解电能表的工作原理和在国内外的发展历程，从工作原理出发分析电能表存在的优缺点；然后依照本课题要实现的功能，从实现功能的可行性、可能性和使用方便性等方面进行考虑，进行整体设计方案的选择和论证。
再依照模块化思想的设计原则，将整个硬件设计方案分解为主控模块、显示和按键模块、电流电压采样模块以及RS485通讯接口模块等模块进行单独地设计，最后通过连线将不同的板子进行整合，建立各个电路板之间的联系，完成整个课题的硬件部分设计。
同时要对软件开发平台进行认真地了解，同样采用模块化的思想，编写各个模块的软件程序，实现相应模块的预期功能。
最后进行软硬件部分之间的测试和实验，如果发现存在问题，就及时地解决问题，不断地完善软件的程序设计和硬件电路设计。
最终完成整个课题的设计工作。
第二章多功能电能表硬件设计
2.1整体方案设计
本文设计的三相多功能电能表的硬件，在整体结构上主要由主控模块、电源转换模块、电流电压采样调理模块、LCD段码显示模块、RS485通讯接口模块、按键输出模块以及EEPROM存储模块组成。
其中系统的总体结构框图，如图2.1所示。
图2.1系统总体结构框图
本文中主控芯片采用型号为STM32F103RC的微控制器，在保证电流、电压采样精度的前提下，使得结构尽可能的简洁，避免了复杂多变的电路布局，更加方便PCB板的制作，并且成本较为低廉。
其中，在采样调理电路的设计中，采用电流互感器进行电流信号的采样，而电压采样部分使用高精度电阻分压网络进行采样设计。
2.2主控芯片的选择
在设计多功能电能表的过程中，确定主控芯片时，一般有两种选择方案。
片上系统SoC往往会成为设计者的选择，这是一种专用的电能计量芯片，内部集成了CPU和一系列电能计量的功能模块，自行对采集到的电量进行转换和计算，软件设计部分简单，易于实现。
但是片上系统Soc价格昂贵，会使得整个设计的成本大增，因而这种片上系统不适用本课题进行设计。
本文选择使用型号为STM32F103RC的微控制器作为主控芯片，其中电量计算的任务需要在软件里完成，虽然加大了软件编程的难度，但是在很大程度上控制了课题的设计成本，并且该型号的芯片也具有一系列显著的优点。
芯片简介
基于ARM7和ARM9内核进行设计是微控制器发展的一个典型趋势，2006年第一个基于ARMCortex-M3内核的微控制器STM32由意法半导体（STMicroelectronics,简称ST）推出。
Cortex系列主要拥有3个不同的分支，分别是A分支，R分支和M分支。
STM32隶属于M分支，属于微控制器系列产品，同时在结构组成上STM32也分为基本型和增强型两个不同的版本。
其中STM32的基本型外挂的设备数目少，最高只能承受36MHz的时钟频率,而增强型的STM32拥有完整的外部设备，同时CPU可以在最高72MHz的时钟频率下运行
STM32F芯片优势
最初研制STM32系列的微控制器就是以提高系统的性能和降低工作时的功率损耗为目标的，STM32的出现是微控制器领域的一个新的飞跃，与以往的微控制器相比较，具有突出的优越性。
（1）精密性。
STM32是比较高端的一种微控制器，集中分布着完备的外设，布局精巧，器件放置紧密且不失独特性。
比如STM32具有两个12位高精度的ADC转换器，并且在一定的条件下可以实现同时工作，衍生出多种转换模式，功能强大。
（2）可靠性。
STM32的外设布局越来越精密，但是对于可靠性的要求并没有因此降低。
为了在外挂的器件越来越多的情况下，依旧能够保持高可靠性，STM32配备充足的硬件电路，主要包括低电压监测器、时钟管理器和看门狗等。
比如时钟管理系统负责监测外部时钟的工作，一旦外部时钟源发生问题，系统就会自动将内部振荡器切换为主时钟源。
（3）安全性。
信息时代，最为激烈的就是信息竞争，确保信息在传递过程中的保密性，是实现信息安全的必要步骤。
一旦数据中包含的信息泄露，整个信息的传递就没有继续下去的意义。
STM32可以通过锁定Flash引脚来确保信息不会泄露和被窃取，一旦出现想要获取芯片内部信息的行为，引脚状态就会被拉高，STM32会自动清除芯片内部信息。
从而最终确保信息的安全性。
（4）在线调试。
STM32支持Thumb-2指令，可以在C语言环境下完成软件的编译、仿真和调试。
在软件平台上编写的程序可以通过下载口，下载到STM32芯片内部，进行在线调试，方便实时发现错误并进行及时的修改，实用性强。
2.3硬件电路设计
2.3.1主控电路设计
本课题以型号为STM32F103RC的微控制器作为主控芯片。
要实现多功能电能表的预期功能，主控芯片必不可少，电量计量的任务、显示和显示屏切换的功能以及RS485的通讯功能都需要在主控芯片内设计和进行。
STM32F103RC微控制器的最小系统由复位电路、时钟电路、电源转换电路和下载电路组成。
其中，复位电路就负责主控芯片的初始化；时钟电路负责为系统提供时钟基准，但是在本课题中，系统利用的是内部时钟，因而并没有特意设计外部时钟电路；电源转换电路负责对给定的电源进行转换，然后作为系统运行时的驱动源；下载端口是连接硬件和软件的“桥梁”，负责将编写的程序下载到制作好的电路板中，进行调试和验证。
其中主控芯片的原理图，如图2.2所示。
图2.2主控芯片原理图
STM32芯片自身携带内部RC振荡器，为芯片提供时钟基准，本课题中采用的主控芯片属于增强型的范畴，可以在72MHz的时钟下运行。
但是内部RC振荡器的不足之处是：
准确性不够，而且稳定性不好，所以在设计时常采用外部的晶振时钟源。
通常情况下，外部时钟源可以分为高速外部振荡器、低速外部振荡器和时钟输出。
在本课题中，主控芯片选择外接晶振电路，属于高速外部振荡器。
该电路由C9、C10、Y1组成，由它为主控芯片提供时钟基准。
同时原理图中分布的电容C8~C16存在的意义就是稳定电源，使得整个系统的稳定性得以提高。
因为STM32F103RC的引脚可以承受的最高电压的范围为2.0V~3.6V，一般情况下选择+3.3V，因此需要对给定的电源进行转换。
本课题中，设计的电源转换电路采用的芯片型号是ASM1117-3.3，此电平转换器件具有体积小、损耗低并且稳定性能好等优点，同时它最高可以输出1A大小的电流，这一特性使得该芯片几乎可以和全部的电子网络芯片进行匹配，因此得到了普遍的应用。
该系统中电源转换电路的原理图，如图2.3所示。
图2.3电源转换电路原理图
STM32F103RC型号的微控制器的驱动电源为+3.3V，实际中可以提供的是+5V的直流电源，所以本电源转换电路实现的功能就是将+5V的直流电源通过芯片AMS1117-3.3转化为+3.3V的直流电源，实现为主控芯片进行供电的功能。
另一方面，电量计量单元作为多功能电能表的核心部分，计量的准确度和精度将直接影响电能表最终功能实现的程度，所以在硬件电路的设计中一定要排除影响采样和计量精度的内外部因素。
如图2.3所示，数字地GNDD和模拟地GNDA采用磁珠来进行连接，抑制电源线中涌动的高频噪声和干扰信号，使得系统更加稳定。
同时设计由0.1μF和10μF电容组成的并联电路，将该电路置于电路输出端，具有滤波和稳定电压的作用，进一步提高了输出电压的稳定性。
STM32F10XX系列的单片机支持系统复位、上电复位、备份区域复位三种复位模式。
STM32F103RC芯片同时具有内部复位的功能，当系统检测到供电引脚上的电压低于2V时，就会自动复位，但是会存在迟滞问题的局限性。
故在进行本课题的设计时，为了保证安全性采用外部复位电路来实现系统的复位，最小系统的复位电路如图2.4所示。
图2.4复位电路原理图
该复位电路属于系统复位范畴的外部复位方式，当送入芯片引脚NRST的信号为低电平时，芯片进行复位。
通常情况下，CPU在上电后需要处于一个确定的初始状态，并且经历短时间的复位后，芯片就要从这个初始状态开始工作，这项工作要由复位电路得以实现。
如图2.4的复位电路所示，阻值为10K的电阻R5使得流入主控芯片引脚的电流只有0.33mA，保证芯片的安全，避免了电流过大将芯片毁坏的情况发生。
系统启动时，按下按键KEY_rst时，Reset处的信号被拉低，芯片引脚NRST信号为低，芯片复位；当按键抬起时，Reset处的信号便会拉高，芯片引脚NRST信号为高，芯片不会复位。
复位电路中的电容C17，有稳定电路的作用，使电路性能更加的优越。
STM32支持不同的启动模式，并且在进行软硬件调试时离不开下载端口，系统的启动模式和下载端口的电路原理图如图2.5所示。
图2.5启动模式和下载端口原理图
首先，STM32主控芯片具有不同的启动方式，启动模式由BOOT0和BOOT1的取值组合决定，不同的启动方式决定了主控芯片在进行复位后，从某一特定区域开始执行系统程序。
当编程完成，电路板制作结束后，就可以对程序进行下载，STM32支持的仿真和下载方式有两种，分别为JTAG模式和SWD模式。
其中，JTAG模式要用到5个I/O口，而SWD模式只要用到2个I/O口。
考虑到节省资源以及结构的简化，本设计采用SWD模式进行下载，下载端口只需要将2根线连到主控芯片，另外2根线连接到电源和地，这样就可以进行程序的下载。
2.3.2采样电路设计
电量的采样是实现电能表功能的关键技术，只有保证采样的精度和准确度才能确保电能表功能实现的准确性。
电流采样调理原理图如图2.6所示。
图2.6电流采样调理原理图
本课题采用电流互感器进行大电流的采样过程，之所以选择电流互感器
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