基于STM32的远程电力监控系统设计

2022-02-22韩政融

东北电力技术 2022年1期

张飞，韩政融

(沈阳工学院信息与控制学院，辽宁沈阳 113122)

许多国家已经开展了电力环境监测的研究工作，发达国家的电力监测系统己经比较完善，并走在了世界电力行业监控系统的前列。欧美国家对于当前电子负载激增以及电力行业监管放松所带来的非线性负载快速增长以及电力系统的互联性，设计出采用MCU为核心的电能质量在线检测装置，通过实时采样芯片实现了对三路电压以及电流的采集，将得到的信号通过单片机进行采集，再通过RS485总线将信息发送至上位机，实现了电压电流有效值的采集，并对谐波等参数进行了分析[1-3]。

国内在电能质量分析及参数测量等信息监测方面，开发出了基于ARM的电能质量检测系统，可实现电能质量频率偏差、谐波、三相电不平衡以及电压波动等参数的实时检测。以ARM处理器为核心采用电能分析装置基于虚拟仪器设计了一套上位机界面，通过移植的嵌入式实时操作系统，完成了处理任务的分配[4-5]。

本研究基于STM32应用电参数模块采集母线的电压值、电流值，通过运算放大器对采集到的信号进行射随以及过零比较，利用ADC以及外部电能计量芯片对电参数进行测量，同时系统支持母线温度检测等功能。

1 远程电力监控系统硬件设计

远程电力监控系统的硬件部分采用模块化设计方案，主要包括电源模块、STM32F401模块、电压互感模块、电流互感模块、电参数测试模块、液晶显示模块、温度检测系统以及上位机通信模块等。其中电参数测试模块是整个系统的核心，用来提供母线的电压以及电流的参数。远程电力监控系统的硬件结构设计主要包括电能测试模块、电参数采样系统、按键输入系统、液晶显示系统、报警系统以及上位机通信系统。远程电力监控系统结构如图1所示。以单片机作为中央处理器模块组成的远程电力监控装置，为电能的智能管理与控制提供了解决方案，增强了系统的安全性与可靠性[6]。

图1 远程电力监控系统结构

1.1 中央处理器设计

中央处理器主要用以实现对所选用处理器的信息获取，电能参数信息的测量，按键输入信息的捕获，报警系统的控制以及上位机通信的处理。采用STM32系列芯片，该芯片具有价格低廉、性能好、产品可靠性高的特点，其处理器采用了ARM系列的实时性内核，在其高端芯片中集成了单精度浮点运算单元或者双精度浮点运算单元，采用流水线的指令架构，相较于普通的处理器加入了指令的分支预测功能，在程序优化合理的情况下可以实现单周期指令的执行功能，相对于传统的单片机，STM32内部集成了较多外设装置，这种外设装置可以使用户不再使用模拟的通信程序，从而直接运行相应的通信外设实现外部设备的通信操作。中央处理器控制电路如图2所示。

图2 中央处理器控制电路

1.2 按键电路设计

基于STM32远程电力监控系统中的参数进行按键设置，系统采用独立式按键电路。选用较常见的7×7式点动式按键，每个按键两端附加相应的滤波电容，通过滤波电容消除按键的抖动，防止按键按下一次中央处理器模块接收到多次的情况发生，按键一端通过上拉阻排R14进行供电，对按键并联的消抖电容进行充电，当按键按下后消抖电容的电能释放掉，中央处理器模组接收相应的收到信号，触发相应的按键功能。按键电路如图3所示。

图3 按键电路

1.3 液晶显示电路设计

采用IPS2432背光式液晶显示装置，该种液晶显示器采用了3.3 V的供电，可以实现不用信号转接即可实现设备的直接操控，并且采用了SPI的通信协议，只需要2根数据线即可实现液晶显示的控制功能，虽然程序编写较为复杂，但是可以分页面进行编辑。液晶显示电路如图4所示。

图4 液晶显示电路

1.4 报警电路设计

远程电力监控系统的报警电路设计，可以实现温度超过阈值的报警功能，蜂鸣器采用5 V供电的有源蜂鸣器，相对于无源蜂鸣器来说，有源蜂鸣器内部集成了振荡电路，只要通入相应的直流电即可触发蜂鸣器的声音。在蜂鸣器电源处采用10R电阻进行限流，然后通过一个NPN的三极管进行扩流，保护中央处理器模组的I/O引脚，防止电流过大烧毁中央处理器模块。报警电路如图5所示。

图5 报警电路

1.5 电参数识别模块驱动电路设计

电参数识别模块采用IN2128B智能电参数识别模块，其主要用以进行电力参数识别，负责接收测控主机指令，完成相关电参数的采集和传送。其可以精确可靠地检测电力设备的电流、电压、有功功率、总有功功率、视在功率、功率因数等电参数数据[7]，并能实现A/D模块的相互转化。电参数识别模块如图6所示。

图6 电参数识别模块

1.6 联机方案设计

基于STM32的远程电力监控系统智能电参数检测装置可以用来与上位机进行通信，随着通信距离的增大，设备也会越来越复杂，功耗和系统的成本也都随之增加。关键就在于如何解决无线信道的多变性和易丢失性，以及节点的能源限制。本文采用Wi-Fi通信模块ESP8266作为系统与上位机连接的桥梁。供电采用3.3 V，工作频率2.4 GHz。该模块采用串口与中央处理器相连接，外部配备储能电容E9，采用STM32单片机的外部串口1进行通信，连接至PA9、PA10端口，通信波特率选用115.2 kB、数据位8位、停止位1位。Wi-Fi通信模块外部电路如图7所示。

图7 Wi-Fi通信模块外部电路

2 远程电力监控系统软件设计

远程电力监控系统主要实现母线电压检测、母线电压过高限制、母线电压过低限制、功率因数检测、功率因数限制、当前功率显示、功率限制上限、断路器状态监控、电能统计、母线温度检测等功能。远程电力监控系统控制流程如图8所示。

图8 远程电力监控系统控制流程

2.1 电参数模块设计

电参数模块子程序设计过程时，首先要配置好外部电路，其次采用基于串口通信的MODBUS协议即可从设备中读取到相应的函数信息，最后在操作函数时应该先对通信端口进行配置，配置完成后开始对芯片的指令进行CRC校验计算[8]。电参数模块流程如图9所示。电参数模块部分程序如图10所示。

图9 电参数模块流程

图10 电参数模块部分程序

电参数模块子程序设计的电能检测函数采用的是MODBUS协议的拼接转换函数，在此协议的定义当中，每个数据位的长度都为4位，系统触发转换的时候可以采用队列读取功能将信息从数据中读取出来。

2.2 数字温度传感器模块设计

数字温度传感器模块子程序设计时，首先发送询问信号等待器件响应，当检测到器件响应后，开始进行相对应的数据转换。温度转换子程序在运行时，首先会对温度传感器HDC1080进行复位操作，再检查该器件是否可以正常运行，如果没有正常运行系统会跳过余下步骤返回主线程，当期间正常运行之后，首先会触发温度转换操作，当温度转换完成之后，该器件会将温度转换结果放置于内部RAM当中，中央处理器通过对此RAM内部数据进行读取即可实现温度信息的获取。温度转换子程序流程如图11所示。温度传感器部分程序如图12所示。

图11 温度转换子程序流程

图12 温度传感器部分程序

2.3 上位机通信子程序设计

上位机通信程序用以实现上位机的监控操作，当系统运行时，会对Wi-Fi通信系统ESP8266进行配置，使其进入AP指令模式，同时配置其IP地址，并创建TCP服务器，当该服务器创建成功后，等待上位机加入，上位机采用QT进行制作，当上位机点击连接后，电脑操作系统会连接到指定IP地址，同时与其建立通信连接[9-11]。通信子程序流程如图13所示。上位机通信部分程序如图14所示。

图13 ESP8266通信子程序流程

图14 上位机通信部分程序

3 实物测试

基于STM32的远程电力监控系统是将已经确认的软件、硬件设备、通信、显示等其他元素结合在一起，进行信息系统的组装，产品实物如图15所示。在此基础上进行相关性能参数的测试，其目的是通过与系统的需求相比较，发现所开发的系统与用户需求不符或矛盾的地方，从而提出更加完善的方案。

图15 远程电力监控系统实物

基于STM32远程电力监控系统的软件测试主程序上主要测试报警逻辑判断、Wi-Fi数据收发、数据显示以及控制继电器开启以及关闭等功能。根据MDK的编译环境对程序中错误与警告，认真仔细地排查程序中的逻辑关系以及C语言编写规范，消除错误，通过程序下载仿真器进行程序在线仿真运行，查看寄存器数值，不断修改程序功能，达到预计的系统功能。观察液晶显示器显示的数据，通过不断修改显示坐标和显示内容，达到能够准确、清晰观察各环境数据信息。系统软件调试如图16所示。