基于STM32的三相电子式多功能电能表设计

最新推荐文章于 2025-08-09 08:30:00 发布

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

引言
系统设计
1. 硬件设计
2. 软件设计
系统功能模块
1. 电流/电压采样模块
2. 有功/无功功率计算模块
3. 电能计量模块
4. 显示与通信模块
控制算法
1. 电流与电压采样算法
2. 功率计算与电能计量算法
3. 显示与数据传输算法
代码实现
1. 电流与电压采样代码
2. 功率与电能计算代码
3. 显示与数据传输代码
系统调试与优化
结论与展望

1. 引言

随着智能电网的发展，三相电子式电能表在工业、电力、家庭等领域的应用越来越广泛。传统的机械式电能表存在误差较大、维护成本高等问题，而电子式电能表具有更高的精度和可扩展性。本文设计了一款基于STM32的三相电子式多功能电能表，能够实时测量三相电流、电压、功率、频率等参数，支持LCD显示和Modbus通信，广泛适用于智能电表和电力监控系统。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

主控芯片：STM32F103系列单片机，用于电流、电压采样和数据处理。
电流/电压传感器：使用霍尔传感器（如ACS712）采集电流信号，使用电压分压电路采集电压信号。
功率计算模块：利用STM32的定时器和DMA模块进行快速数据采集与处理。
显示模块：采用LCD或OLED显示屏显示电压、电流、功率、频率等实时数据。
通信模块：使用RS-485串口（Modbus协议）进行远程数据传输。
电源模块：提供系统稳定的电源，支持AC/DC转化。

2.2 软件设计

电流/电压采样模块：通过ADC模块采样电流、电压信号，并通过DMA直接传输数据。
功率计算模块：计算各相的有功功率、无功功率和视在功率。
电能计量模块：基于功率积分计算电能，支持瞬时功率和累计电能显示。
显示与通信模块：实时显示采集数据，通过Modbus协议进行数据传输。

3. 系统功能模块

3.1 电流/电压采样模块

电流采样：通过霍尔传感器（如ACS712）测量每相电流的幅值。
电压采样：通过电压分压电路，采样每相的电压信号。

3.2 有功/无功功率计算模块

计算每相的有功功率、无功功率、视在功率。
通过采集的电流和电压信号计算功率值。

3.3 电能计量模块

基于功率计算结果，使用积分算法计算电能，支持累计电能计量。

3.4 显示与通信模块

LCD显示：实时显示电压、电流、功率、频率等信息。
Modbus通信：通过RS-485串口，使用Modbus RTU协议进行远程数据传输。

4. 控制算法

4.1 电流与电压采样算法

电能计算：通过功率积分计算单位时间内的电能消耗。

7. 结论与展望

本设计通过STM32单片机实现了高精度的三相电子式多功能电能表，具备电压、电流、功率和电能的测量功能，适用于各种电力监控和智能电网系统。未来可以进一步提高系统的智能化水平，集成无线通信、云数据传输等功能，以便于远程监控和数据分析。

配置STM32的ADC进行三相电流、电压采样。
使用DMA进行数据传输，避免CPU干扰。

将采集到的电流、电压数据进行预处理，滤除噪音。

// 电流采样函数
int read_current(int phase) {
    if (phase == 1) {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // Phase 1 current
    } else if (phase == 2) {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc2); // Phase 2 current
    } else {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc3); // Phase 3 current
    }
}

// 电压采样函数
int read_voltage(int phase) {
    if (phase == 1) {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc4); // Phase 1 voltage
    } else if (phase == 2) {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc5); // Phase 2 voltage
    } else {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc6); // Phase 3 voltage
    }
}

4.2 功率计算与电能计量算法

有功功率、无功功率和视在功率的计算公式：

有功功率：P=V×I×cos⁡(ϕ)P = V \times I \times \cos(\phi)P=V×I×cos(ϕ)
无功功率：Q=V×I×sin⁡(ϕ)Q = V \times I \times \sin(\phi)Q=V×I×sin(ϕ)

视在功率：S=V×IS = V \times IS=V×I

// 功率计算函数
void calculate_power(int voltage, int current, float* active_power, float* reactive_power, float* apparent_power) {
    float power_factor = calculate_power_factor(voltage, current);
    *active_power = voltage * current * power_factor;  // 有功功率
    *reactive_power = voltage * current * sqrt(1 - power_factor * power_factor); // 无功功率
    *apparent_power = voltage * current; // 视在功率
}

// 电能积分函数
void calculate_energy(float active_power, float* total_energy) {
    static float energy_integral = 0;
    energy_integral += active_power * TIME_INTERVAL; // 假设TIME_INTERVAL为采样周期
    *total_energy = energy_integral;
}

4.3 显示与数据传输算法

显示数据实时更新，Modbus通信进行远程数据传输。

// 显示功率与电能数据
void display_data(float active_power, float reactive_power, float total_energy) {
    char display_buffer[32];
    sprintf(display_buffer, "Active Power: %.2f W", active_power);
    LCD_DisplayString(display_buffer);
    sprintf(display_buffer, "Total Energy: %.2f kWh", total_energy / 1000);
    LCD_DisplayString(display_buffer);
}

// Modbus通信发送数据
void modbus_send_data(float active_power, float reactive_power) {
    uint8_t data[8];
    data[0] = (uint8_t)(active_power >> 8);
    data[1] = (uint8_t)(active_power & 0xFF);
    data[2] = (uint8_t)(reactive_power >> 8);
    data[3] = (uint8_t)(reactive_power & 0xFF);
    // 使用RS-485模块发送数据
    Modbus_RTU_Send(data, 4);
}

5. 代码实现

5.1 电流与电压采样代码

// ADC配置和电流、电压采样初始化
void adc_init() {
    HAL_ADC_Start(&hadc1); // Phase 1 current
    HAL_ADC_Start(&hadc2); // Phase 2 current
    HAL_ADC_Start(&hadc3); // Phase 3 current
    HAL_ADC_Start(&hadc4); // Phase 1 voltage
    HAL_ADC_Start(&hadc5); // Phase 2 voltage
    HAL_ADC_Start(&hadc6); // Phase 3 voltage
}

5.2 功率与电能计算代码

// 计算每相的功率
float active_power_1, reactive_power_1, apparent_power_1;
float active_power_2, reactive_power_2, apparent_power_2;
float active_power_3, reactive_power_3, apparent_power_3;

calculate_power(read_voltage(1), read_current(1), &active_power_1, &reactive_power_1, &apparent_power_1);
calculate_power(read_voltage(2), read_current(2), &active_power_2, &reactive_power_2, &apparent_power_2);
calculate_power(read_voltage(3), read_current(3), &active_power_3, &reactive_power_3, &apparent_power_3);

// 计算总电能
float total_energy = 0;
calculate_energy(active_power_1 + active_power_2 + active_power_3, &total_energy);

5.3 显示与数据传输代码

// 显示数据
display_data(active_power_1 + active_power_2 + active_power_3, reactive_power_1 + reactive_power_2 + reactive_power_3, total_energy);

// 通过Modbus发送数据
modbus_send_data(active_power_1 + active_power_2 + active_power_3, reactive_power_1 + reactive_power_2 + reactive_power_3);