基于ARM微处理器的电能监测系统设计

基于ARM微处理器的电能监测系统设计

摘要：在工业测试计量领域，通常要对用电器功率进行实时监测。本文介绍一种基于ARM微处理器的电能监测系统，以ARM Cortex-M4内核的微控制器作为主控芯片。通过功率计量电路采集电压与电流，从而计算出实时功率。功率信息通过Wi-Fi模块传输至公网，服务器部署在网络云上，用户可通过手机APP或网页链接接入服务器，查看功率信息和远程控制开关。实验证明，该方案可有效提高家庭用电效率，在节能减排的基础上提升用户体验。

关键词：电能监测；功率计量；ARM Cortex-M4; Wi-Fi；

1绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2 论文的主要工作和章节安排 2

2 系统整体设计概述 3

3 系统硬件及PCB设计 5

3.1 供电模块 5

3.1.1 220 V转5 V电路 6

3.1.2 5 V转3.3 V电路 7

3.2 功率计量电路 8

3.3 继电器电路 9

3.4 电平处理电路 10

3.5 WIFI模块 11

3.6 智能连接模式及用户交互电路 12

3.7 TTL转USB模块 12

3.8 主控模块 14

3.9 程序烧录电路 16

3.10 存储器电路 16

3.11 蜂鸣器电路 17

3.12 矩阵键盘电路 18

3.13 TFT液晶显示屏 18

4 系统软件设计 19

5 系统验证与效果分析 20

6 结束语 22

参考文献 23

致谢 24

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

电力能源是目前人类使用最广泛的能源之一，作为主要能源消费形式用于工业生产、居民生活以及楼宇、交通、服务等行业[1]。在美国，居民能耗占据了总能耗的五分之一以上，但是这部分能耗中超过40%是被浪费的。在英国，居民能耗约占30%的二氧化碳排放量，用户只需要采取一些简单的节电措施，这一数字就能减少10%。既然发达国家存在着这种问题，那么发展中国家更应该积极的看待和处理该难题。在我国，一些客观因素如高耗能行业的无序增长、消费者节约意识薄弱、公共和家庭用电设施节电技术陈旧等，造成了电力能源的严重浪费。并且随着社会发展，人们对生活质量的提升也越发注重，传统家电功能简单，不能统一操作，也无法得知其具体用电情况，且对异常情况带来的安全隐患没有预警和应对措施，导致由电器问题带来的诸多人身财产损失现象已屡见不鲜[2]。综上所述，传统电器在节能性、智能化控制和安全性上已经不能满足人们的需求。

电能计量科学技术，自从电子技术兴起以来，就已普遍应用于各种测量中，该技术是通过同时采集用电器的电压与电流信息，从而计算出实时功率。其中，电流采集是通过采样电阻对用电器进行分流，所以采样电阻在功率计量电路中通常称为分流器。采样电阻通常选用康铜电阻或者锰铜电阻，阻值在1毫欧到10 毫欧之间，额定功率在2瓦到5瓦之间。本系统选用2毫欧康铜电阻，额定功率3瓦。电压采集是通过电阻分压方式，用4个470千欧姆的电阻和1个1千欧姆的电阻串联，取1千欧姆阻值的电阻两端压降进行测量。功率计量芯片将功率信息通过压频转换为一定频率的方波信号。所以系统可以通过测量方波的频率值，间接计算出用电器的功率信息[3-4]。所以数字频率测量技术的高速发展也促进了功率信息的实时准确测量。

随着计算机和科技的发展，基于ARM微处理器的电能监测系统被应用地越来越普遍。究其原因，主要是以ARM处理器为主控的电能监测系统具有许多优点[6-7]：首先，电能的使用不仅走进了千家万户，在民用电能之外，工业用电、农业用电、军事用电等各行各业都需要消耗电能。电能已经成为21世纪应用最广泛的能量之一。因此，对电能进行计量就显得尤为重要。其次，高效用电、安全用电也是当今电能消耗的两大主题。其中，高效用电旨在提高用电效率，不乱用电也不滥用电。目前，空调、电视、电热水器等用电器通常在不需要使用时候，还保持着通路状态，这不仅增加了用电器的老化速度，更浪费了电能。所以，如果增加在插座中增加WIFI功能，使用户即使不在家中，也可以远程查看用电器状态，并控制插座通断。这样，不仅提高了用电效率，迎合了高效用电、节能减排的主题，而且使家中的插座都通过WIFI连接起来，成为一个私有的物联网，用户通过Hub控制众多插座，从而控制用电器。这样，可以大大提升用户体验，让科技融于插座，让科技融于生活。另外，安全用电也是工业用电与生活用电中，被高度重视的一个主题[8]。本系统的电能检测系统，可以实时监测用电器的功率值，如果功率出现紊乱或尖峰，说明用电器并没有正常工作。这样ARM主控就可以通过管理员的权限，直接关闭用电器的开关。这样可以有效避免用电器的意外发生，大大提升了用电安全。

1.2 论文的主要研究工作

本文通过Cortex-M4架构微控制器STM32F407位主控单元，对用电器的实时功率进行检测，完成了硬件原理图设计、PCB设计以及软件程序设计。硬件电路设计包括功率计量电路、隔离式220 V转5 V电路、非隔离式220 V转5 V电路、5 V转3.3 V电路、双通道光耦合电路，继电器电路、用户输入电路、功率信息显示电路、存储器电路和USB转串口电路。

本文主要包括六章内容：

第一章绪论：介绍了基于ARM微处理器的电路检测系统相关的行业背景、应用前景以及研究意义。

第二章系统整体设计概述：对系统的设计思路、设计流程进行阐述。

第三章系统硬件及PCB设计：介绍了系统中主要的硬件模块，包括功率计量电路、隔离式220 V转5 V电路、非隔离式220 V转5 V电路、5 V转3.3 V电路、双通道光耦合电路，继电器电路、用户输入电路、功率信息显示电路、存储器电路和USB转串口电路。

第四章系统软件设计：介绍了系统软件方面的设计，包括单片机程序设计以及计算机程序设计，通过流程图的形式阐述软件思路。

第五章系统验证与效果分析：在硬件设计完成，软件调试通过后，对系统进行实验分析，并给出方案的效果与结论。

第六章结束语：对系统的整体归纳与工作总结。

参考文献

[1] 黄宇. 基于嵌入式处理器控制的电量计量系统的研制[D]. 大连交通大学, 2008.

[2]周维保, 路勇. 基于单片机的EV动力蓄电池组电量计量系统的设计[J]. 工业控制计算机, 2004(9):107-109.

[3] 黄丰磊, 卢海锋, 朱浩然. 基于STM32与LABVIEW的电参数测量系统设计[J]. 电器与能效管理技术, 2014(15):37-39.

[ 4] 王田苗. 嵌入式系统设计与实例开发:基于ARM微处理器u C/OS-II实时操作系统[M]. 清华大学出版社, 2002.