基于STM32的电力采集与无线传输系统研究

黄 恒，许继瑞，丁 伟，曹吉花

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

1 引言

近年来，随着电子技术，计算机技术的飞速发展，电力系统测量也发生了巨大的变革，电力数据采集系统作为电力供需管理的基本环节,发挥着重要作用,电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性、实时性以及可靠性都提出了更高的要求[1].传统的电力数据采集系统受限于有限的存储空间和通信接口,存在精度不高、实时性差、采集信息量小等缺点,已无法满足实际的电力系统调度与管理需要,本文提出的基于STM32的新型电力数据采集器充分利用了STM32丰富的片上资源,大大节约了硬件投资,利用STM32具有快速采样的高性能ADC、先进的电源及时钟管理、双看门狗等功能,极大地增强了系统的实时性与可靠性,精度显著提高,同时功耗明显降低.

2 电力采集系统的整体设计方案

本设计的整体原理框图如下图1所示.首先电压和电流的模拟信号经电路调理后，通过STM32单片机转换为数字信号，再由STM32进行数据处理；开关量则通过I/O口输入，STM32通过中断进行读取.电力数据采集和处理后，由TFT彩屏进行显示，同时用NRF24L01进行发送.当接收端接收到数据后同时显示在接收端的TFT彩屏上，以更加直观的形式显示出来.

图1 系统原理

3 系统硬件构成及各部分功能

3.1 STM32单片机的概述

STM32是基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，具有杰出的低功耗控制以及众多的外设，最重要的是其性价比.STM32有非常强大的外设功能：128KFLASH，,USB,CAN，12位的 ADC,USART等等.同时STM32支持JTAG/SWD,非常方便调试，而且依然支持串口下载，还有就是STM32的中文支持，资料丰富，功耗低.

3.2 电压电流采样电路

本设计选用型号为JPT2024A的电压互感器，当输入电压为0～220V时,对应的输出电压为0～3.3V；选用型号为JCT5261K的电流互感器,当输入电流为0～5A 时,对应的输出电压为0～3.3V,输入和输出根据电压电流信号的周期（T=20ms）和A/D的转换时间均成线性变化(本设计选用STM32内部A/D转换芯片，其单次转换时间仅为6μs),计算出在信号的一个周期内A/D采样次数N,然后对输入信号进行采样,边采样边计算[2].

3.3 相位角的获取

在相位的测取中设置单片机的定时器T0为定时器计数.将电压V1、电流I1经过过零比较器后变成方波信号V2、I2输入到单片机相应的中断口.当单片机的INT0由0变成1(即电压波形产生正跳变)时,打开定时器T0，开始计数；当INT1的波形由0变成1(电流波形产生正跳变)时，关闭定时器T0.根据在定时器T0中所保存的数值Tx，Tx为T0的计数值，根据其值可计算出相位角[3].

3.4 TFT显示和无线发送模块

（1）TFT显示：为了更直观的监控电力采集数据，系统采用2.8寸的彩色液晶显示器与本地实时进行监控，并提供了良好的人机交互界面功能，利用STM32F103RBT6单片机[4]的FSMC模块控制液晶显示器，即将液晶作为外部存储设备来使用，配置好读写及控制信号的时序，指定指针即可实现对液晶的读写访问，应用这种方式，既可以简化对液晶的操作，只需指定读写数据指针就可以完成操作，而且提高了方位的速度.

（2）无线通讯模块：本设计采用NRF2401无线模块,本设计中将采样电压和电流的那一端作为从机不断的发送信息，另一端作为接收端主机通过串口和PC机相连，不断的接收从从机发来的数据，同时主机显示在TFT液晶显示器上，主机通过和串口PC机相连，可以随时的观察从机采集的电力信息.

4 整体的软件流程：如下图5所示

图5 主程序框图

5 实验结果和分析

将 A，B，C三相分别接到市电 220V利用20W，23W，40W的灯泡作为三相的负载，本设计的电力数据如下表所示.

A相 B相 C相电压/V 218.9 221.2 220.6电流/mA 152 174 303功率因数 0.60 0.60 0.60有用功率 19.96 23.03 40.1

由于本设计采用数值采样法，对于被测信号的频率变化非常敏感，为了获取较高的精度，本设计对于电压和电流信号同时进行采样，并选用转换速度较快的STM32内部AD转换，结果表明，分别用20W，23W,40W的灯泡作为三相的负载下，精度可达1%，符合实际要求.

〔1〕张旭.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术报，2010（11）:90-93.

〔2〕尹元梅，温宗周.基于51单片机的数字功率表设计[J].电子测量技术报，2012（10）:28-30.

〔3〕林涛，邹黎华，耿勇男.多类型多通道的数据采集系统的设计[J].电子测量学与仪表报,2009,23（S1）：236-239.

〔4〕季力.基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J].自动化与仪器仪表，2010（3）：137-139.