基于STM32的智能电气控制系统设计及优化

基于STM32的智能电气控制系统设计及优化

邱程聆

贵州航天风华实业有限公司，贵州省遵义市，563319

摘要：该篇介绍了一种基于STM32的智能电气控制系统的设计方案，该系统采用STM32F103C8T6作为主控芯片，通过RS485总线与多个电气参数采集模块通信，实现相关参数的实时监测，并通过LCD显示屏和LED指示灯显示相关信息，同时具各种保护功能，可以根据设定的阈值自动切断或恢复电源。最后对系统的软件和硬件进行了设计和优化，提高了系统的稳定性和可靠性，降低了系统的成本和功耗，实现了系统的智能化和节能化。

关键词：STM32；电气控制系统；智能化

一、系统设计

（一）系统总体设计

系统的总体设计包括：主控单元、电气参数采集单元、显示单元、保护单元和电源单元。首先，主控单元是系统的核心。它使用STM32F103C8T6作为主控芯片，这是一款高效率、低成本的微控制器，基于ARM Cortex-M3内核运行，最高工作频率可达72MHz。主控单元负责控制和协调整个系统的运行，以及与外部设备进行通信。通过RS485总线，主控单元与电气参数采集单元进行通信，实现对如电压、电流等电气参数的实时监测。此外，主控单元还有保护功能，能在出现过压、欠压、过流、短路等情况时，根据设定的阈值自动切断或恢复电源。电气参数采集单元是系统的输入部分，它使用CS5460A作为电能计量芯片对电气信号进行采样、放大、隔离、滤波、转换等处理。该芯片能测量电压、电流、功率等参数，并提供有效值、峰值、相位等信息。采集单元还使用了电流互感器、电压分压器等电路，实现对电气信号的隔离、放大和匹配。显示单元负责将主控单元处理后的数据和信息以可视化的方式显示给用户。它使用一块3.5英寸的TFT LCD显示屏和一组LED指示灯，可以清晰、直观地显示电气参数的数值、曲线、图表等，同时也能显示系统的工作模式、故障状态等。保护单元是系统的安全保障部分，它使用一组继电器和断路器，根据主控单元的指令，实现对电源的切断或恢复，以及对故障部分的隔离。保护单元还可以根据设定的时间延迟，实现对电源的软启动和软停止，避免电流冲击和电压波动，延长设备的使用寿命。最后，电源单元负责为系统的各个部分提供稳定的电源，保证系统的正常运行。它使用一个220V/24V的开关电源，将220V的交流电转换为24V的直流电，为主控单元、显示单元、保护单元和电气参数采集单元提供电源。此外，电源单元还配备了一块锂电池，作为备用电源，以确保在外部电源中断时，主控单元和显示单元能继续运行，防止数据丢失。

（二）系统软件设计

系统的软件设计主要包括主控单元的软件设计和电气参数采集单元的软件设计。1.主控单元的软件设计主要包括系统初始化、数据处理、数据显示、数据通信、故障保护等模块。系统初始化模块负责对系统的各个外设进行初始化，包括时钟、GPIO、USART、SPI、I2C、ADC、DAC、LCD、LED、继电器、断路器等，设置相应的工作模式、参数和中断，为系统的正常运行做好准备。数据处理模块负责对电气参数采集单元发送的数据进行处理和分析，包括数据校验、数据转换、数据计算、数据存储等，得到电压、电流、功率、功率因数、频率等参数的有效值、峰值、平均值、最大值、最小值、波形、谐波等信息，并将数据存储在内部的SRAM或外部的EEPROM中，以便后续的显示和通信。数据显示模块负责将数据处理模块得到的数据和信息以可视化的方式显示在LCD显示屏和LED指示灯上，包括数据的数值、曲线、图表等，以及系统的工作模式、故障状态、保护动作等，方便用户了解系统的工作状态和运行情况。数据通信模块负责与外部设备进行数据交换和远程控制，包括通过RS485总线与电气参数采集单元通信，通过USART或USB接口与上位机或其他外部设备通信，实现数据的发送和接收，以及对系统的参数设置、模式切换、故障复位等操作。故障保护模块负责对系统的各个部分进行保护，防止因为电气故障或异常情况而造成设备损坏或人员伤害，包括过压、欠压、过流、短路等保护功能，可以根据设定的阈值自动切断或恢复电源，以及对故障部分的隔离。该模块还可以根据设定的时间延迟，实现对电源的软启动和软停止，避免电流冲击和电压波动，延长设备的使用寿命。2.电气参数采集单元的软件设计主要包括数据采集、数据发送等模块。数据采集模块负责对电气信号进行采样、放大、隔离、滤波、转换等处理，将模拟信号转换为数字信号，利用CS5460A芯片的内部电能计算单元，测量电压、电流、功率、功率因数、频率等参数，并提供有效值、峰值、相位等信息。数据发送模块负责将数据采集模块得到的数据通过RS485总线发送给主控单元，实现数据的实时传输，同时接收主控单元的指令，实现对电气参数采集单元的控制和配置。

二、系统优化

为了提高系统的稳定性和可靠性，降低系统的成本和功耗，实现系统的智能化和节能化，需要对系统的软件和硬件进行了一些优化措施，主要包括以下几个方面：采用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片具有高性能、低功耗、实时功能、数字信号处理、连接性等特点，可以满足系统的各种需求，同时成本低廉，易于开发和调试。采用CS5460A作为电能计量芯片，该芯片具有高精度、高动态范围、高抗干扰能力等特点，可以测量电气参数的各种信息，同时内置了电能计算单元，减少了主控单元的计算负担，提高了系统的效率。采用RS485总线作为主控单元和电气参数采集单元之间的通信方式，该总线具有抗干扰能力强、传输距离远、传输速率高、网络拓扑灵活等特点，可以实现多点通信，方便系统的扩展和维护。采用LCD显示屏和LED指示灯作为显示单元，LCD显示屏可以显示电气参数的数值、曲线、图表等，具有清晰、直观、美观的特点，LED指示灯可以显示系统的工作模式、故障状态、保护动作等，具有简单、快速、明显的特点，两者相辅相成，提高了系统的用户体验。采用继电器和断路器作为保护单元，实现对电源的切断或恢复，以及对故障部分的隔离，保证系统的安全和稳定，同时根据设定的时间延迟，实现对电源的软启动和软停止，避免电流冲击和电压波动，延长设备的使用寿命。采用开关电源和锂电池作为电源单元，开关电源可以将220V的交流电转换为24V的直流电，为系统的各个部分提供电源，具有效率高、体积小、重量轻、温升低等特点，锂电池可以作为系统的备用电源，当外部电源发生中断时，可以为主控单元和显示单元提供电源，保证系统的数据不丢失，具有容量大、寿命长、充放电性能好等特点。采用模块化的设计思想，将系统的各个部分分为主控单元、电气参数采集单元、显示单元、保护单元和电源单元，各个部分之间通过标准的接口进行连接，实现了系统的结构简化和功能分明，便于系统的组装和调试，提高了系统的可维护性和可扩展性。采用低功耗的设计策略，利用STM32F103C8T6的低功耗模式，根据系统的工作状态，选择合适的工作模式，如运行模式、睡眠模式、停止模式、待机模式等，实现了系统的动态功耗管理，降低了系统的功耗，实现了系统的节能化。

三、结论

该基于STM32的智能电气控制系统设计方案具有重要的实际价值。通过采用STM32F103C8T6作为主控芯片，系统能够实现对电压、电流、功率等参数的实时监测，并具备过压、欠压、过流、短路等保护功能。同时，系统通过LCD显示屏和LED指示灯直观地显示相关信息，提高了用户的操作方便性与体验。通过对系统的软件和硬件进行优化，系统的稳定性和可靠性得到提高，系统成本和功耗降低，实现了智能化和节能化。展望未来，该设计方案可进一步扩展应用于电力、工业自动化等领域，提升电气控制系统的效率与可持续发展。

参考文献：

[1]刘迷.基于STM32的智能语音控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2022(4):27.

[2]曹佳璐,余宝莲,邵佳慧,等.基于STM32的智能风扇控制系统设计[J].山西电子技术,2022(4):4.