基于STM32开发的智能电能监测系统

1. 引言

智能电能监测系统通过实时采集电流、电压等电力参数，计算电能消耗，并将数据上传至云端或显示在本地设备上。该系统可用于家庭和工业环境中，帮助用户优化用电行为、降低电力消耗。本文将介绍如何使用STM32微控制器设计和实现一个智能电能监测系统。

2. 环境准备工作

硬件准备

STM32开发板（例如STM32F103C8T6）
电流传感器（例如ACS712）
电压传感器（例如ZMPT101B）
OLED显示屏（用于显示电力数据）
SD卡模块（用于数据存储）
Wi-Fi模块（例如ESP8266，用于远程监控）
按钮和LED（用于用户交互）
面包板和连接线
USB下载线

软件安装与配置

Keil uVision：用于编写、编译和调试代码。
STM32CubeMX：用于配置STM32微控制器的引脚和外设。
ST-Link Utility：用于将编译好的代码下载到STM32开发板中。

步骤：

下载并安装Keil uVision。
下载并安装STM32CubeMX。
下载并安装ST-Link Utility。

3. 系统设计

系统架构

智能电能监测系统通过STM32微控制器连接电流传感器、电压传感器、OLED显示屏、SD卡模块和Wi-Fi模块，实现对电力参数的实时监测、数据存储和远程上传。系统包括数据采集模块、数据处理与显示模块、用户交互模块和远程通信模块。

硬件连接

将电流传感器的VCC引脚连接到STM32的5V引脚，GND引脚连接到GND，输出引脚连接到STM32的ADC引脚（例如PA0）。
将电压传感器的VCC引脚连接到STM32的5V引脚，GND引脚连接到GND，输出引脚连接到STM32的ADC引脚（例如PA1）。
将OLED显示屏的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，SCL和SDA引脚连接到STM32的I2C引脚（例如PB6、PB7）。
将SD卡模块的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，CS、MOSI、MISO、SCK引脚分别连接到STM32的SPI引脚（例如PA4、PA5、PA6、PA7）。
将Wi-Fi模块的TX、RX引脚分别连接到STM32的USART引脚（例如PA9、PA10），VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND。
将按钮的一个引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA2），另一个引脚连接到GND。
将LED的正极引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA3），负极引脚连接到GND。

4. 代码实现

初始化代码

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "current_sensor.h"
#include "voltage_sensor.h"
#include "oled.h"
#include "sd_card.h"
#include "wifi.h"
#include "button.h"
#include "led.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);
static void MX_SPI1_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_ADC1_Init();
  
  CurrentSensor_Init();
  VoltageSensor_Init();
  OLED_Init();
  SDCard_Init();
  WiFi_Init();
  Button_Init();
  LED_Init();
  
  while (1) {
    float current = CurrentSensor_Read();
    float voltage = VoltageSensor_Read();
    float power = current * voltage;
    
    char displayStr[32];
    sprintf(displayStr, "I: %.2f A\nV: %.2f V\nP: %.2f W", current, voltage, power);
    OLED_DisplayString(displayStr);
    
    SDCard_SaveData(current, voltage, power);
    
    if (WiFi_IsConnected()) {
      WiFi_SendData(current, voltage, power);
    }
    
    if (Button_IsPressed()) {
      LED_On();
      HAL_Delay(1000);
      LED_Off();
    }
    
    HAL_Delay(5000);
  }
}

void SystemClock_Config(void) {
  // 配置系统时钟
}

static void MX_GPIO_Init(void) {
  // 初始化GPIO
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

static void MX_USART1_UART_Init(void) {
  // 初始化USART1用于Wi-Fi通信
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_I2C1_Init(void) {
  // 初始化I2C1用于OLED显示屏通信
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_SPI1_Init(void) {
  // 初始化SPI1用于SD卡通信
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_ADC1_Init(void) {
  // 初始化ADC1用于电流和电压传感器数据采集
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  
  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
  
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
  
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
}

控制代码

#include "current_sensor.h"
#include "voltage_sensor.h"
#include "oled.h"
#include "sd_card.h"
#include "wifi.h"
#include "button.h"
#include "led.h"

void CurrentSensor_Init(void) {
  // 初始化电流传感器
}

float CurrentSensor_Read(void) {
  // 读取电流数据
}

void VoltageSensor_Init(void) {
  // 初始化电压传感器
}

float VoltageSensor_Read(void) {
  // 读取电压数据
}

void OLED_Init(void) {
  // 初始化OLED显示屏
}

void OLED_DisplayString(char *str) {
  // 在OLED显示屏上显示字符串
}

void SDCard_Init(void) {
  // 初始化SD卡模块
}

void SDCard_SaveData(float current, float voltage, float power) {
  // 将数据保存到SD卡
}

void WiFi_Init(void) {
  // 初始化Wi-Fi模块
}

bool WiFi_IsConnected(void) {
  // 检查Wi-Fi是否已连接
}

void WiFi_SendData(float current, float voltage, float power) {
  // 发送数据到服务器
}

void Button_Init(void) {
  // 初始化按钮
}

bool Button_IsPressed(void) {
  // 检测按钮是否按下
}

void LED_Init(void) {
  // 初始化LED
}

void LED_On(void) {
  // 打开LED
}

void LED_Off(void) {
  // 关闭LED
}