单相用电器分析监测装置说课材料.docx
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单相用电器分析监测装置说课材料
单相用电器分析监测装置
2017年TI杯江苏省大学生电子设计竞赛
题目:
单相用电器分析监测装置
摘要
本设计是单相用电器分析监测装置，主要由测量模块，控制模块，显示模块，电源模块，通讯模块组成。
其中测量模块采用RN8209实现对电压，电流的测量与数据的送出，显示模块采用1.44寸TFTLCD液晶显示屏，通讯模块是蓝牙通讯,并通过控制模块STM32F103C8T6协调全部芯片工作，能实现电压、电流、功率和功率因素的实时测量和显示。
关键字：
STM32单片机；LCD液晶显示；蓝牙通讯
单相用电器分析监测装置（K题）
【本科组】
1.系统方案
本系统主要由单片机控制模块、测量模块、显示模块、通讯模块，电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1主控芯片方案的比较与选择
方案一：
采用STC89C51单片机
STC89C51是一种微控制器，具有低功耗，高性能的特点，具有在系统可编程（ISP）特性，再配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载到单片机内部，而且速度快，但是STC89C51只有一个串口，不符合发送与接收两个串口的要求。
方案二：
采用STM32单片机
STM32系列都可满足高性能、低成本、低功耗的要求。
STM32单片机程序具有模块化的特点，因所以其接口相对简单些，又因它自身带好多功能，工作速度也就快，而且STM32具有两个串口，符合设计要求。
具有精密性，可靠性，安全性。
综合比较上述方案，考虑到设计方案工作原理，方案二更适合于本设计。
1.2测量系统方案的比较与选择
方案一：
采用ADE7755
ADE7755属于高准确度电能计量集成电路,它可以将有功功率的信息以频率的形式输出，对温度的敏感度很低。
同时ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，其他所有信号处理都使用数字电路，所以能保持极高的准确度及长期稳定性。
方案二：
采用RN8209
RN8209不仅能够应用于有功功率、无功功率、有功能量、无功能量的测量，并能可以同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。
综合比较上述方案，考虑到RN8209的功能更强，所以选择方案二。
1.3通讯系统方案的比较与选择
方案一：
采用RS232接口
RS232接口是全双工数据通讯模式，其数据的收发不能同时进行，可保证数据收发的不冲突，硬件上是通过方向切换来实现的，但是RS232具有传输距离有限，传输速率较低的缺点。
方案二：
采用RS485接口
RS485的接口信号电平比RS232低，这就避免了接口电路芯片的损坏，且该电平与TTL电平兼容，方便与TTL电路连接。
RS485接口是半双工数据通讯模式，所以其传输距离比RS232的传输距离远得多.数据最高传输速率也可以达到10Mbps。
综合比较上述方案，方案二更适合本次设计要求。
2系统结构与工作原理
2.1系统总体原理框图
系统总体设计方案如图1所示，每个模块在整个硬件系统中承担着一定的作用。
其中RS485通信模块实现了STM32单片机与测量模块的通信。
当测量模块输入数据时，STM32单片机就将数据通过RS485通信模块送出。
测量模块的数据同样能通过RS485模块下传给单片机，然后通过蓝牙通讯将接受的数据具体的显示在LCD液晶显示屏上。
图1系统总体设计框图
2.2系统各模块设计
2.2.1测量模块设计
测量模块由RN8209对电压，火线电流及零线电流的采样，并对功率，能量进行测量。
图2测量模块原理图
2.2.2发送端和接收端模块设计
发送端如图3所示，首先给采集模块发送特定的数据包，若接收成功，则通过蓝牙发送数据包，若接收失败，则返回接收端。
接收端如图4所示，首先对接收的文件初始化，之后读取并处理数据。
接着若按下学习键，则读取数据并判断是1-7键哪个键按下，数据存储在存储空间中，若停止按键，则返回判断位置；如继续，则读取数据并处理判断。
如果没有按下学习键，则进入预设环节，若有预设，则存储A,B...GD数据；若没有，读取数据并判断具体电器，通过按键检测，判断按下1-7哪个数，之后将总体情况显示在总体界面上，并返回到读取数据端。
图3发送端流程图图4接收端流程图
2.2.3通讯模块设计
图5RS485通讯模块原理图
STM32采用TTL电平，为实现测量模块与CPU实现通信需要设计一款485转TTL电路。
RS485是采用差分信号逻辑，接口信号低，不易损坏接口电路的芯片，且RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，能采用半双工的工作模式。
3竞赛工作环境条件
3.1设计分析软件环境
设计过程中主要使用的软件有：
microsoftvisio、AltiumDesigner等。
3.2仪器设备硬件平台
测试所使用的仪器设备有：
万用表。
4测试内容及结果
4.1测试方案
首先用microsoftvisio画出系统总体的流程图，接着利用AltiumDesigner画出各个硬件部分的原理图，然后参照流程图，将各个硬件部分焊接在通用板上，用万用表检测各部分，确保无虚焊、漏焊且各引脚连接正确。
将程序导入STM32单片机内，进行总体性能指标的测量，调整电路或代码。
4.2．测试结果及分析
首先按下初始化键，接着按下学习键。
若按下键1，则存储在A区，若按下键2，则存储在B区，以此类推。
然后记录LCD液晶显示屏上的数据。
记录数据如表格1。
测试次数
功率/W
电流/mA
电压/V
功率因数
1
2
8
233
0
2
3
12
233
0.564
3
5
21
233
0.515
4
7
30
233
0.404
5
9
38
233
0.950
6
11
47
233
0.541
7
1856
8322
233
1.000
从上表测试数据中可以看出，测得值符合题目要求。
5作品成效总结分析
综合上述测试结果，本设计完成了题目基本部分的要求。
电流的测试范围大约为8mA～8322mA。
6参考资料
[1]黄仁欣,张琴.单片机原理与接口技术[M].北京:
清华大学出版社,2010
[2]黄智伟.全国大学生电子竞赛电路设计[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2011
[3]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:
清华大学出版社,2012
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