基于STM32的智能电能表设计

引言

本项目设计了一个基于STM32的智能电能表，能够实时测量电压、电流、功率以及累计的电能消耗。通过ADC模块采集电压和电流信号，结合功率计算算法，系统可以精准地监控家庭或工业设备的电能消耗。该智能电能表还支持远程数据传输和本地数据显示功能，适用于能源监控和智能电网领域。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
电压互感器（用于电压采样，如 ZMPT101B）
电流互感器（如 SCT013，用于电流采样）
ADC 模块（STM32 自带，用于读取电压和电流信号）
OLED 显示屏（用于显示电压、电流、功率和电能信息）
NRF24L01 无线通信模块（用于远程数据传输，选用）
USB-TTL 串口调试工具

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

电压互感器连接：将电压互感器（如 ZMPT101B）的输出引脚连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA0），用于采集电网电压。
电流互感器连接：将电流互感器（如 SCT013）的输出引脚连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA1），用于采集电流信号。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示电能信息。
NRF24L01 无线模块连接：将 NRF24L01 的 CE、CSN、MISO、MOSI 和 SCK 引脚连接到 STM32 的 SPI 接口（如 PB6、PB7、PB8、PB9、PB10），用于无线通信（选用）。
按键连接：将按键连接到 STM32 的 GPIO（如 PA2），用于手动切换显示模式或重置累计电能。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 引脚用于按键和 OLED 显示屏。
配置 I2C 用于与 OLED 显示屏通信。
配置 SPI 用于 NRF24L01 无线通信模块（如果使用）。
配置 ADC 用于采集电压和电流信号。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写电压、电流采集、功率计算、累计电能计算以及数据展示的代码。以下是智能电能表的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "adc.h"
#include "oled.h"
#include "nrf24l01.h"  // 可选模块

// 定义电能计量参数
#define VOLTAGE_CONVERSION_RATIO 0.03  // 电压转换比
#define CURRENT_CONVERSION_RATIO 0.05  // 电流转换比
#define POWER_FACTOR 0.85  // 假设功率因数为0.85
#define SAMPLING_RATE 1000  // 采样频率

// 全局变量
float voltage = 0;
float current = 0;
float power = 0;
float energy = 0;
uint32_t sample_count = 0;

// 函数声明
void System_Init(void);
float Read_Voltage(void);
float Read_Current(void);
void Calculate_Power_Energy(void);
void Display_Status(void);

void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_ADC1_Init();
    
    OLED_Init();
    OLED_ShowString(0, 0, "Smart Energy Meter");
}

// 读取电压信号并转换为实际电压值
float Read_Voltage(void)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint16_t raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    
    return raw_value * VOLTAGE_CONVERSION_RATIO;  // 将ADC值转换为实际电压
}

// 读取电流信号并转换为实际电流值
float Read_Current(void)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint16_t raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    
    return raw_value * CURRENT_CONVERSION_RATIO;  // 将ADC值转换为实际电流
}

// 计算功率和累计电能
void Calculate_Power_Energy(void)
{
    voltage = Read_Voltage();
    current = Read_Current();
    power = voltage * current * POWER_FACTOR;  // 有功功率 P = U * I * cos(Φ)
    energy += power / SAMPLING_RATE;  // 电能 E = P * t，假设采样间隔为 1 秒
}

// 显示当前电压、电流、功率和电能信息
void Display_Status(void)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "V: ");
    OLED_ShowFloat(32, 0, voltage, 2);
    
    OLED_ShowString(0, 1, "I: ");
    OLED_ShowFloat(32, 1, current, 2);
    
    OLED_ShowString(0, 2, "P: ");
    OLED_ShowFloat(32, 2, power, 2);
    
    OLED_ShowString(0, 3, "E: ");
    OLED_ShowFloat(32, 3, energy, 2);
}

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        Calculate_Power_Energy();  // 计算功率和电能
        Display_Status();          // 显示实时数据
        HAL_Delay(1000);           // 每秒刷新一次数据
    }
}

4. 各模块代码

电压与电流读取

通过 STM32 自带的 ADC 模块读取电压和电流信号，并将 ADC 数值转换为实际的电压和电流值：

#include "adc.h"

// 读取电压信号并转换为实际电压值
float Read_Voltage(void)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint16_t raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    
    return raw_value * VOLTAGE_CONVERSION_RATIO;  // 将ADC值转换为实际电压
}

// 读取电流信号并转换为实际电流值
float Read_Current(void)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint16_t raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    
    return raw_value * CURRENT_CONVERSION_RATIO;  // 将ADC值转换为实际电流
}

OLED 显示

OLED 显示屏用于实时显示电压、电流、功率和累计电能：

#include "oled.h"

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

// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{
    // 在 OLED 指定位置显示字符串
}

// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{
    // 在 OLED 上显示浮点数
}

// 清屏
void OLED_Clear(void)
{
    // 清除 OLED 显示内容
}

NRF24L01 无线通信（可选）

用于远程传输电能数据到服务器或远程设备：

#include "nrf24l01.h"
#include "spi.h"

// 初始化 NRF24L01 模块
void NRF24L01_Init(void)
{
    // 配置 NRF24L01 工作模式、信道、地址等
}

// 发送数据
void NRF24L01_Send(float voltage, float current, float power, float energy)
{
    uint8_t data[16];
    memcpy(data, &voltage, 4);
    memcpy(data + 4, &current, 4);
    memcpy(data + 8, &power, 4);
    memcpy(data + 12, &energy, 4);
    
    NRF24L01_Transmit(data);  // 发送电能数据
}

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5. 系统工作原理

电压和电流采集：通过电压互感器和电流互感器采集电网中的电压和电流信号，并使用 STM32 的 ADC 将模拟信号转换为数字信号，进一步计算得到实际的电压和电流值。
功率计算：根据公式 P=U×I×cos⁡(ϕ)P = U \times I \times \cos(\phi)P=U×I×cos(ϕ)，计算出当前的有功功率。功率因数 cos⁡(ϕ)\cos(\phi)cos(ϕ) 是常数，可以根据实际使用环境调整。
电能累计：通过积分法计算电能消耗，假设采样频率为 1 秒，则每次累积的电能 EEE 等于功率 PPP 乘以时间（1 秒）。
数据展示与远程传输：OLED 显示屏实时显示当前的电压、电流、功率和累计电能。若使用 NRF24L01 模块，数据还可以通过无线方式传输到远程服务器，实现远程电能监控。

常见问题与解决方法

1. 测量不准确

问题原因：电压、电流互感器校准不准确，或ADC分辨率不足。
解决方法：对互感器进行校准，确保采样电压和电流信号与实际值一致，并提高ADC的分辨率，或使用外部高精度ADC模块。

2. OLED 显示不正常

问题原因：I2C 通信错误，或显示屏初始化失败。
解决方法：检查 I2C 连接是否牢固，确保 OLED 初始化代码正确无误。

3. 无线通信不稳定

问题原因：NRF24L01 信号干扰或电源供电不足。
解决方法：确保 NRF24L01 模块供电稳定，天线连接良好，调整通信信道避免干扰。

扩展功能

远程控制与数据上传：通过 ESP8266 Wi-Fi 模块，扩展系统的联网功能，将电能数据上传到云服务器，实现远程监控和控制。
智能电网接口：通过扩展协议（如 Modbus、CAN 总线等），可以将智能电能表集成到更大的智能电网系统中，监控家庭、工厂的整体能耗。
历史数据存储：添加 SD 卡模块或外部 EEPROM，记录电能消耗的历史数据，便于后续的能耗分析。

结论

通过本项目，我们成功设计了一个基于 STM32 的智能电能表，能够实时测量电压、电流、功率，并计算累计电能。该系统不仅能够通过 OLED 显示屏本地展示数据，还可以通过无线模块实现远程传输，广泛适用于家庭、工厂和智能电网的能耗监控场景。项目具备很强的可扩展性，未来可以进一步添加联网功能、数据存储以及与智能电网的集成。