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1、随着科技和技术的不断发展，各类高精密度设备层出不穷，对测试工具的要求也越来越高。当中，功率计作为重要的测试工具，其市场地位也愈发重要。于此搜集了大量相关资料，设计了一个小型、便捷、高精度的功率计，以满足用户更加实际和多样化的测量需求。本设计可以高精度地测量功率和分析相应数值。该设备使用现代技术，以最小的误差提供可靠的能源使用读数。在硬件设计中以STM32F103C8T6单片机为核心控制器,来辅助控制外围电路，其中主要模块包括单片机模块、HLW8032采样模块、OLED显示模块、供电模块、ESP8266模块等。从而能够实现高精度的功率测量。在软件设计中主要运用的Keil软件进行编程、嘉立创EDA
2、进行原理图绘制。还可在手机上实时检测测量参数。同时兼备数字电压表和电流表的功能。本设计主要可测量电压、电流、功率因数、有功功率等，并对其进行数据分析。关键词：功率计；电流采样；电压采样；HLW8032AbstractWiththecontinuousdevelopmentoftechnologyandtechnology,allkindsofhighprecisionequipmentemergeinanendlessstream,andtherequirementsfortesttoolsarebecominghigherandhigher.Amongthem,thepowermeter,a
3、sanimportanttesttool,itsmarketpositionisalsoincreasinglyimportant.Alargeamountofrelevantinformationiscollectedhere,andasmall,convenientandhigh-precisionpowermeterisdesignedtomeetthemorepracticalanddiversifiedmeasurementneedsofusers.Thisdesigncanmeasurethepowerandanalyzethecorrespondingvaluewithhigha
4、ccuracy.Thedeviceusesmoderntechnologytoprovidereliableenergyusereadingswithminimalerror.Inthehardwaredesign,STM32F103C8T6singlechipcontrollerisusedasthecorecontrollertoassisttocontroltheperipheralcircuit,andthemainmodulesincludesinglechipmodule,HLW8032samplingmodule,OLEDdisplaymodule,powersupplymodu
5、le,ESP8266module,etc.Thus,ahigh-precisionpowermeasurementcanbeachieved.KeilsoftwareismainlyusedinsoftwaredesignforprogrammingandEDAforschematicdrawing.Measurementparameterscanalsobedetectedinrealtimeonamobilephone.Bothwiththedigitalvoltmeterandammeterfunction.Thisdesigncanmainlymeasurethevoltage,cur
6、rent,powerfactor,activepower,etc.,andconductdataanalysis.Keywords:powermeter;currentsampling;voltagesampling;HLW8032摘要1kIStraCt/2t第1章绪论51151.2研究现状51 .2*1国内研现状62 .2.2国外研究现状61.3发展历史及趋势61. 4研究内容7第2章功率计基本原理及框架82. 2功率计工作原理82. 3总体模块93. 4功率计结构框图10第3章硬件模块设计114. 1单片机模块113.1.1STM32F103C8T6芯片优缺点113.1.2STM32F10
7、3C8T6引脚分布及连接123.2HLW8032采样模块133.2.1HiM8032非隔离采样133.2.2HLw8032隔离采样133.3光藕隔离输出电路143. 5OLED显示模块163.6WIFI模块17第4章软件设计204. 1)I名召204*1.1kci1软件204.1.2嘉立创EDA214.2彳呈2243)f本234.4WiFi串口程序流程图24第5章安装与调试265.1硬件安装265.21贝275.3系统功能测试275.4显示模块测试28结论29参考文献30致谢32附录1原理图3335附录2系统程序第1章绪论1.1 课题背景及意义小型便捷精密功率计是一种用于测量设备中电流、电压、
8、功率的仪器。该仪器可用于测量交流和直流电路的功率值，以及测量功率因数、有功功率和电阻等参数。在电子工程领域，功率计始终是一种非常重要的测量工具，因为它可以帮助工程师们更好地了解电路的性能和特性。在过去的几十年中，随着科技的不断发展，我们生活中的电子器件越来越多，电力质量也变得越来越重要。而功率计作为一种测试电力的仪器，在电力工程和电子技术的领域中扮演着重要角色。小型便捷精密功率计作为一种新型的功率计，在过去的几年里受到越来越多的关注。它相较于传统功率计有很多的优点，如采用数字化电路，准确度更高，体积更小，操作更简单等。但是，小型便捷精密功率计在使用时也存在一些问题。例如，当工作环境发生变化时，
9、数据的精度可能会受到影响；当需要进行长时间的测试时，功率计的寿命有可能不足等等。因此，本文将对小型便捷精密功率计进行深入研究。首先，将介绍小型便捷精密功率计的工作原理和结构特点，以及它在电力工程和电子技术领域中的应用。接着，将探究小型便捷精密功率计在使用中存在的问题，并提出相应的解决方案。在本文中，将重点介绍小型便捷精密功率计的设计。将探讨功率计的基本原理和工作方式，以及小型便捷精密功率计的设计要求和技术难点。还将介绍几种常见的小型便捷精密功率计的应用场景和实际应用案例，以帮助更好地了解这种仪器的作用和价值。1.2 研究现状随着经济时代的快速发展和技术的不断变革，互联网技术和电子信息技术已经取
10、得了质的飞跃，推动了生产和生活进入数字化时代。功率表在各种工业仪器仪表中占据着重要地位，被广泛应用于电工和电子技术等领域。精密功率计在工业和科研领域中具有重要的应用价值，因此对其进行深入研究和改进，将有利于提高其测量精度和适用性。目前市场上大多数精密功率计体积都相对较大，不方便携带，在一些特殊场合下不能满足相应的要求。因此，设计一款小型便捷的精密功率计，将能够更好地满足一些特定场合下的需求。通过本论文的研究和设计，本论文可以提升我的电子电路设计和创新能力，为我的后续工作打下坚实基础。本论文在设计一种小型便捷精密功率计，使其具有体积小、精度高、易操作等特点，提高功率测量的精度和可靠性。1.2.1
11、 国内研究现状在我国功率计的发展比较滞后，还没有出现大型的便捷精密功率计，主要的功率计产品还是传统的模拟式功率计和数字式功率计。在精度、测量范围上与国外产品还存在一定差距。1.2.2 国外研究现状在国外，已经出现了许多小型便捷精密功率计，主要有以下几种类型：（1） USB口型功率计：轻巧小巧，非常便携，可以直接连接到个人电脑或笔记本电脑上使用，非常方便。（2）手持型功率计：体积小，可以携带，非常便携，同时加入了一些便携式电子设备的优秀特性，比如大屏幕，触摸操作等。（3）台式功率计：常常被用在研究实验室和工业过程控制中，能够提供更高的精度，更宽的测试范围，并且通过RS232标准串口和USB接口，
12、能够被PC远程控制。1.3 发展历史及趋势一、在功率计的发展历史中，主要有以下几个阶段：（1）模拟式功率计阶段：是功率计发展的最初阶段，主要采用模拟电路来实现功率的测量，准确度比较低，体积大，价格昂贵。（2）数字式功率计阶段：随着数字电路技术的发展，数字式功率计开始逐步替代模拟式功率计，准确度和稳定性得到了极大的提高。（3）小型便携式功率计阶段：随着计算机技术和微型电子技术的快速发展，小型便捷精密功率计的出现，成为了功率计在社会发展中的一个重要阶段。（4）网络化功率计阶段：随着互联网的不断发展，功率计也开始向网络化、智能化的方向发展，能够通过网络远程测量和控制。并且，随着新材料、新工艺的应用，
13、功率计的测量精度、稳定性得到了大幅度提高。二、从发展历史来看，功率计的发展主要在以下几个方向上体现：（1）普及化：随着科技的不断进步和电子设备的不断普及，功率计将逐步成为仪器测量的标配，普及化的发展趋势将愈发明显。（2）便捷化：便捷化是今后功率计发展的一个重要方向，未来功率计将越来越小巧、便携，运行更加简便快捷。（3）高精度化：在测量精度方面，随着新材料、新工艺的不断引入，功率计的测量精度将不断提高。(4)网络化：网络化的发展趋势将有利于功率计的远程测量和控制，使功率计的应用范围更加广泛、实际操作更加便捷。因此，本文的研究意义就在于借助现有技术，设计一款小型便捷精密功率计，并在测量精度和便携性
14、方面有所突破，为功率计的发展做出贡献。1.4 研究内容经查找阅读大量相关的资料、书籍，在网络上广泛搜集了大量与功率计相关的文献,经过仔细阅读和深入研究，已经全面掌握了本次设计的核心内容和关键要点。本设计主要是一个小型的便携精密功率计，以单片机为要主控制器，控制外围电路，通过电压采样模块和电流采样模块，采样到的信号传送给转换器，经转换后送给控制器，最终处理后得到相应的分析数值，最终在显示屏上显示。其中主要包含单片机模块、电流采样、电压采样、OLED显示模块、供电模块等。本设计是一个小型的便携的精密功率计，可以实现高精度的功率测量。以单片机为控制中心，并辅助外围电路，带有一个0.96寸的屏幕，可以
15、显示设备的电流消耗情况或电源的电压变化等，方便进行供电或者功耗分析。同时还能上传数据到云端，可在手机APP上显示，满足大多数场景下的需求。主要特性： 数字电压表和电流表功能 0.96寸的屏幕 电压表量程：0-30OV,分辨率0.0001V,电流表量程：0-20A,分辨率0.1A 采样率：最高IooSPS,最低0.0ISPS 最高存储深度6kpts 数据上传云端，手机APP查看等功能总的来说，在物联网和工业4.0等领域中，精密测量和控制是至关重要的。单片机作为一种通用性强、性能稳定、体积小、价格低廉的微处理器，具有广泛、灵活的应用前景。本文主要介绍了单片机在小型便捷精密功率计的设计过程中的应用。
16、该系统呈现出结构简明，性能稳定可靠，精度高超的特征，并且具备极为广阔的使用前景。可用于能源管理、工业自动化、物流测量、环境监测等领域。我们相信，在物联网时代，单片机将继续扮演着不可或缺的角色。第2章功率计基本原理及框架2.1功率计定义设计一个合理可行的功率计方案，首先需要了解被测对象的特性。只有了解被测对象的特性，才能够根据其特性制定出满足系统设计要求的方案。电功率是指单位时间内做功的多少，通常用来表示用电量消耗的多少，是一个常见的物理量。在计算电功率时，通常采用测量用电器以及电子元器件的实时电流和电压值来获取功率值【。电功率可以定义为，待测用电器或元器件两端的电压值与通过该用电器的电流值的乘
17、积。在直流电路和交流电路中，其计算略有差异，电功率的计算公式为P=UI,其中P代表电功率，U代表电压，I代表电流。而在交流电路中，电功率的计算公式为P=UICOS小，其中代表相位差UL因此，在设计功率计时，必须获取待测元器件的电压和通过其的电流值来测量元器件功率值。这类测量方法可借助传统机械式测量仪器，也可利用数字化仪表实现。值得注意的是，数字化测量方式在测量值准确性、仪器操作性、实用性等方面均表现更为卓越，彰显出其具备高等级数据处理能力与操作易检验、便携性等特征。除了电功率，还有一种常见的功率叫作机械功率，可以表示机械装置运动的速率。在实际应用中，功率计不仅仅被用于测量电子元器件的电功率，还
18、可用于测量各种类型的设备和器件的功率值。例如，功率计常常被用于测量家用电器和工业设备的功率，以便为电力系统的管理和优化提供相关的数据和指标。在功率计的原理中，需要注意到功率计在测量过程中需要消耗一些电能，因此要对功率计的测量误差进行考虑。此外，还需要注意功率计的线路连接问题，确保仪表的准确性和安全性。在数字化仪表的设计中，需要考虑仪表的采样率、分辨率、精度等因素，以及如何实现数据存储和传输。此外，还需要注意功率计与被测元器件之间的匹配问题，确保仪表能够正常工作并提供准确的测量结果。最后，需要强调的是，功率计在工业生产和日常生活中都有着广泛的应用，其精度和可靠性对于保障电力系统的安全和稳定具有重
19、要作用。因此，功率计的设计和制造需要经过严格的测试和验证，确保其质量达到标准要求。2.2功率计工作原理在电路中，元器件的功率是一个非常重要的参数，因为它可以反映元器件的工作状态和性能。为了测量元器件的功率，需要采集元器件两端的电流和电压值，并进行计算和处理。下面将详细介绍电流和电压值的采样过程。首先，要明确的是在电流值进行A/D转换时，需将其转化为相应的电压值以实现A/D转换器的目的。这是由于A/D转换器是基于电压进行操作，而电流不可直接转换为电压。因此，通过串联或并联电阻的方法，将电流值转化为电压值，然后再进行A/D转换。如果被测试的目标是交流电，计算电压值和电流值间的相位差是必不可少的。在
20、进行信号采集时，应该将大电压和大电流转化为小电压和小电流，以避免A/D转换器的过载问题。在进行电压采集时，需通过并联电阻进行适当调节。对于元器件两端的实时电压进行采集后，也需要进行A/D转换。而对于电流的采样通常是通过串联电阻的方式进行,采集后也同样需要进行A/D转换。采集到电压和电流信号后，单片机可进行计算和处理,最终得出元器件的功率值用。最后，可以将测量结果通过液晶屏进行显示。通过这种方法，可以方便地测量元器件的功率，并且可以及时了解元器件的工作状态和性能。2. 3总体模块一、在该总体框架中，该设备主要包括以下模块：1 .单片机模块：负责整个电路的核心控制。2 .电压采样模块：负责对器件的
21、电压进行采样和处理。3 .电流采样模块：负责对流过被测试的器件的电流进行采样和处理。4 .模拟信号与数字信号转换模块：负责将采集到的模拟信号转换成数字信号。5 .供电模块：负责为该设备提供稳定的电源。6 .显示模块：负责将采样得到的数据显示在OLED屏幕上。7 .WiFi模块:负责将数据上传至云端，方便用户观测。二、下面列出了每个模块所包含的具体组成部分：1 .单片机模块：运算器、控制器、寄存器。2 .电压采样模块：电压传感器、运放电路、滤波器、模数转换器、微处理器。3 .电流采样模块：电流传感器、运放电路、滤波器、模数转换器、微处理器。4 .模拟信号与数字信号转换模块:模拟信号处理器、模数转
22、换器、数字信号处理器。5 .供电模块：充电电路、电池管理芯片、稳压器。6 .显示模块：OLED屏幕、显示控制器。7 .WiFi模块：通信芯片、天线外设电路微处理器。这些模块的相互协作，构成了这个设备的完整功能，能够高精度地测量器件的功率和分析相应的数据。2. 4功率计结构框图本设计是一个基于单片机为核心的功率计，其主要功能是对电路中的电流、电压进行采样和处理，最终得出功率值并显示在屏幕上。整个系统分为电压模块、电流模块、A/D转换器、单片机、显示器和WiFi通讯等多个部分组成。首先，电压模块和电流模块对电路中的电压和电流进行采样，采样后信号经过A/D转换器进行数字化处理，然后传送给STM32F
23、103C8T6单片机进行信号处理和计算，最终将数据显示在屏幕上，同时还能上传至云端。单片机通过内部算法和程序对电压和电流进行计算，得出功率值，并将处理后的结果传输给显示器进行显示。同时，该系统还带有一个电池，可以在完全离线状态下使用，提高了其便携性和实用性。总的来说，本设计具有采样精度高、计算准确、显示清晰和安全可靠等特点，可以广泛应用于各种电路的功率测量和分析。功率计原理框图如图21所示：图2-1功率计原理框图第3章硬件模块设计2.1 单片机模块本设计运用的核心控制元件是单片机STM32F103C8T6,它是意法半导体(STMiCrOeleCtrOniCS)推出的一款32位ARMCortex
24、-M3内核的单片机。它具有高性能、低功耗、丰富的外设和强大的处理能力，适用于各种应用领域，如工业自动化、消费电子、医疗、通信、汽车等皿1。该芯片集成了128KB闪存、20KBSRAM、4KBEEPROM,支持多种通信接口，如SPLI2CUSART.CAN等。它还具有高精度的模拟电路，包括12位ADC和12位DAC,可用于各种传感器和控制器的数据采集和输出I“用。STM32F103C8T6还具有多种外设，如定时器、PWM输出、DMA、中断控制器等，可实现各种复杂的应用。同时，该芯片还支持低功耗模式，可最大限度地降低功耗,延长电池寿命。除此之外，STM32F103C8T6还具有灵活的开发环境和丰富
25、的开发资源，如ST-Link调试器、KeilMDK-ARM开发工具、CUbeMX配置工具等，可大大简化开发流程，提高开发效率2叫总之，STM32F103C8T6单片机具有卓越的性能、广泛的功能、以及轻松上手的开发特点适用于各种应用场景。3. 1.1STM32F103C8T6芯片优缺点单片机STM32F103C8T6是一款功能强大的微控制器，具有以下优点：1 .高性能：最高主频达到72MHz,可以快速响应各种任务。2 .丰富的外设：包括多个通用定时器、ADCDAC、USARTsSPkI2C等，可以满足各种应用需求。3 .大容量存储：具有64KB的Flash存储器和20KB的SRAM存储器，可以存
26、储大量的程序和数据。4 .低功耗：支持多种低功耗模式，可以节省能源，延长电池寿命。5 .多种封装：支持多种封装形式，包括LQFP48、LQFP64LQFPlOO等。6 .易于开发：STM32F103C8T6支持多种开发工具和开发环境，如KeiKIARSTM32CubeMX等，开发起来相对容易。7 .可靠性高：STM32F103C8T6具有较高的可靠性和稳定性，可以保证系统的稳定运行。缺点如下：1 .价格较高：STM32F103C8T6的价格相对较高，可能会增加项目成本。2 .开发难度较大：虽然STM32F103C8T6支持多种开发工具和开发环境，但对于初学者来说，开发难度可能较大L综上所述，单
27、片机STM32F103C8T6具有高性能、丰富的外设、大容量存储、低功耗、多种封装、易于开发和可靠性高等优点，但也存在价格较高、开发难度较大等缺点22。3.1.2STM32F103C8T6引脚分布及连接STM32F103C8T6是一款基于ARMCortex-M3内核的微控制器，它一共有48个引脚，其中包括了多种不同类型的引脚，如GPl0、ADC、USART.SPI、I2C等。以下是本设计运用的引脚及功能介绍：1 .PA0-PA15：GPlo引脚，可用于输入输出控制，也可以用于中断输入。2 .PBO-PB15：GPlO引脚，可用于输入输出控制，也可以用于中断输入。3 .PC13-PC15：GPK
28、）引脚，可用于输入输出控制，也可以用于中断输入。4 .PB10、PBlkPBI2、PB13PBI4、PB15：I2C引脚，用于I2C通信。5 .PB0、PB1：ADC引脚，用于模拟信号采集。6 .PA8、PAl1、PAI2、PA15PB3、PB4、PB5：TIM引脚，用于定时器功能。以上是STM32F103C8T6的引脚功能介绍，不同的应用场景需要使用不同的引脚功能。如图3-1为单片机系统连接图。VBAT PC13OloOa 8d dl ONO m83OId Wd Ssd 9Hd CC2d OJ.H 8?一 6Sd G ss IQQ OU1STM32F103C8T6PC143PC154OSCl
29、N5OSCOUT6RESET7GNDSVCC3V39PAoIOPAIH,BATPC13 OSC32 INPC14 OSC32,OUT PC15 OSCIN OSCOUT NRST VSSA VDDA RAO 一 SSAVDD_2 VSS 2SWIO PA12 Pll PAlOPA9 PA8 PBlS PB14 PB13 PB1236VCC3V335GND34SMo33PA1232PAlI31PAIo30PA929PA823PH1527PB1426PB1325PB12W gmluu & aN。 K OImd IRITLoOg G- Igd lOgd C 一 M 9 一 9Vd S - SVd l
30、bADCSPLI2C等多种接口，可以方便地与其他外设进行通信。ESP8266模块可以通过AT指令进行控制，也可以使用官方提供的ESP8266固件进行编程。此外，ESP8266还支持ArdUino、MiCrOPython等多种开发平台，方便开发者进行开发。由于其低成本、高性能的特点，ESP8266模块被广泛应用于智能家居、物联网、远程控制等领域。如图3-9为本设计实物的WiFi模块。图3-9WiFi模块要实现系统和手机APP的连接，并实现数值显示和分析，需要以下步骤：1 .确定通信协议：选择一种通信协议，如WiFi、蓝牙等。在本例中，选择WiFi通信协议。2 .配置ESP8266模块：使用AT指
31、令或固件编程，配置ESP8266模块的WiFi连接参数，如SSID、密码、IP地址等。3 .编写系统代码：编写系统代码，通过ESP8266模块与手机APP进行通信。在本例中，使用ArdUinO开发平台编写代码。代码需要实现以下功能：- 与ESP8266模块进行通信，发送和接收数据；- 读取系统中需要显示和分析的数值，并将其发送给手机APP；- 接收手机APP发送的指令，如控制系统开关、设置参数等。总之，要实现系统和手机APP的连接，并实现数值显示和分析，需要进行系统和手机APP的编程，以及通信协议的选择和配置。如下表3/为管脚功能定义。表37管脚功能定义脚序名称功能说明1GND接地2102GP
32、IO2/UART1_TXD3100GPK）0;下载模式；运行模式；外部拉低4RXDUART0_RXD/GPI1035TXDUART0_TXD/GPI016EN芯片使能端，富电平有效7RST复位8VCC3.3V供电（VDD）;外部供电电源输出电源在50OmA以上第4章软件设计4.1系统软件介绍在本项目中，C语言被用于编写单片机的固件代码，用于控制外围电路，实现各种功能，如采样、转换、显示和报警等功能。为了编写和调试这些代码，选择了KeiI软件作为开发工具。同时，绘制电路原理图的软件选取的嘉立创EDA。4.1.1keil软件在Keil环境下，可以使用KeilC编译器来编译单片机代码，生成可执行文件
33、，也可以使用Keil的仿真器进行单步调试和实时调试。在编写代码的过程中，可以使用Keil提供的各种库文件和函数来简化编程的难度。具体来说，本项目使用的MCU是STM32F407VE,因此需要使用STM32的相关库文件。这些库文件包括CMSIS(CortexMicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard)和STM32的标准外设库。CMSIS提供了一组通用的API,用于访问微控制器的内存映射寄存器，这些寄存器控制着各种外设的行为。STM32的标准外设库则提供了一组API,用于访问STM32的各种外设，如ADC、SPI、I2C、USART等。在本项目中，使用了CMS
34、IS和STM32的标准外设库来实现各种功能。例如，使用ADC库来读取电流和电压数据，使用GPIO库来控制LCD显示屏和LED指示灯，使用USART库来与PC机通信等等。在编写代码时，还需要了解STM32的寄存器和外设的工作原理和操作方式，以保证代码的正确性和稳定性。总之，使用C语言和Keil软件是实现本项目的关键步骤之一，它使可以轻松地编写、调试和优化单片机代码，从而实现功率计的各种功能。如图4-1为keil系统开发环境。*CAUyNDCUgtop弁夫论如京版gMR三SE9Emn如STMJX10式8I6gfl09l84TM32(C8T6)3M32f10丈8T6趋MMHRTcN*UMOKARMW
35、Cuvpej必加1GA WC,t tn J ate J IEHB.ItalXgu tfaW.Xu ,J mx J mu J UtgmI211.3文件名稀:wc比能飞要:延时内饰PCCit按的UD/低电平LZ-亮,笃电季一天版权所有：潭地工作室 http:/WWW.vcc-Fnd.co/ 网Si http:/vcc-gM.tabA0.eo/r:2013-10-09 vl.0得送方女:STLn*1017头文件 !include UL32fl0x.h !include vUMrt.bv Unclode ld.b include RTCTl.h inclade 的奴名弥:DelyMIMEXzXttM）依史翁:无由依返回:无forCouat)/的数名称:am 量能*要:主屈，以福勇:无 /S4mcat Min(VOid)LK)GPIOConfigO :，!1UD USARTleCocif 12();pxinte7, prncf(,rnM rnj图4-1keil系统开发环境4.1.2嘉立创EDA本文使用的绘图软件是立创EDA,这是一款专门为中国人设计的基于浏览器的EDA设计工具。该软件由中国人独立开发、拥有独立自主知识产权，并归属于深圳市嘉立创科
