基于STM的多功能电能表的设计.docx

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自动化学院

本科毕业设计（论文）

题目：基于STM32多功效电能表设计

专业： 自动化

班级：自动化111 学号： **********
学生姓名： ******
指导老师： ************
起止日期： .2～.6
设计地点：

Graduation Design (Thesis)

The Design of Three-phase Multi-functional Power Meter Based on STM32

By
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Supervised by
Prof. ******

School of Automation
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June,

摘 要

电能表作为测量电能工具，是连接电力用户和电能之间一座“桥梁”，伴随电能在大家生活中地位越来越关键，它和大家生活之间联络也愈加地紧密。即使电能表也在不停地发展，不过局限于功效单一，传统电能表已经满足不了用户对其越来越高要求。
本文采取STM32F103RC型号微控制器作为主控芯片，设计了一款实用性强、结构简单多功效电能表。在设计电能表硬件和软件过程中，全部采取了模块化设计思想。其中，多功效电能表硬件部分关键包含主控模块、电源转换模块、电压电流采样模块、EEPROM存放模块、LCD段码显示模块、按键输入模块和RS485通讯接口模块。而且利用软件编译平台MDK进行了软件部分设计，关键包含主程序、系统初始化程序、电量处理程序、键盘中止程序和LCD段码显示程序。
本文最终完成了多功效电能表系统调试，对经过采样和调理得到电压、电流信号进行计算，并完成显示，而且经过按键选择实现了显示器切换，基础实现了多功效定能表预期功效。

关键词：电能表；STM32F103；段码LCD；RS485

ABSTRACT

Electricity meter connects a "bridge" between power users and power that used as a kind of measurement tool. The link between it and the people's lives more to close with the power position in people's lives increasingly important. While the meter is constantly evolving, but limited to a single function, the conventional meters has failed to meet the growing demands of its users.
In this paper, using the type microcontroller of STM32F103RC as the master chip, designed a practical, simple structure of multi-function meter. In the process of the design of meter in hardware and software, have adopted a modular design thinking. Among them, the hardware part of the multi-function meter includes control module, power conversion modules, voltage and current sampling module, EEPROM memory module, LCD segment display module, a key input module and RS485 communication interface module. And using software platform MDK designs the software part, including the main program, the system initialization procedure, power handler program, a keyboard interrupt program and LCD segment display program.
Finally completed the system debugging of the multi-function meter, the voltage and current signals obtained through sampling and conditioning were calculated, and complete the display, but also through the select button to switch the display . The basic realization of the multi-function will be able to watch the intended function.

Key words: Power Meter; STM32F103; segment LCD；RS485

目 录

第一章 绪论 1
1.1 电能表 1
1.1.1电能表概念 1
1.1.2电能表发展 1
1.1.3 电能表发展现实状况 2
1.2 多功效电能表 3
1.2.1多功效电能表现实状况 3
1.2.2多功效电能表存在问题 3
1.3电能表发展前景 4
1.4课题研究背景及内容 4
1.4.1课题研究背景 4
1.4.2课题研究内容 4
第二章 多功效电能表硬件设计 6
2.1整体方案设计 6
2.2 主控芯片选择 6
2.2.1 STM32F芯片介绍 7
2.2.2 STM32F芯片优势 7
2.3 硬件电路设计 7
2.3.1 主控电路设计 7
2.3.2 采样电路设计 10
2.3.3 按键显示电路设计 12
2.3.4 RS485通讯电路设计 13
2.3.5 存放电路设计 14
2.4 本章小结 15
第三章 多功效电能表软件设计 16
3.1 软件设计 16
3.1.1 软件开发平台MDK 16
3.1.2 软件设计步骤 16
3.2 主程序设计 17
3.3 初始化子程序设计 18
3.4 采样程序设计 20
3.5 计量程序设计 21
3.5.1 计量算法介绍 21
3.5.2 ADC数据转换原理 22
3.5.3 计量算法程序设计 23
3.6 显示程序设计 23
3.7 按键处理程序设计 24
3.8 本章小结 25
第四章 系统测试及试验 26
4.1 采样电路模块测试 26
4.1.1 采样电路仿真测试 26
4.1.2 采样电路测试 28
4.2 ADC模块调试 29
4.3 显示模块调试 30
4.4 本章小结 31
第五章 总结和展望 32
5.1 工作总结 32
5.2 展望 33
致谢 34
参考文件 35
附录A：硬件设计原理图和PCB图 37

第一章 绪论

1.1 电能表
1.1.1电能表概念
从概念上来说，电能表就是用来计算一段时间内消耗电量值专用仪表，通常也被叫做电度表和火表。电能表依据其它差异方面也能够被划分到不一样范围，比如根据使用路径进行分类，就能够将其分为单相电能表、有功电能表和多功效电能表等等。另外还能够根据电能表工作原理、接入电源性质和接入相线数来进行仔细分类。
1.1.2电能表发展
伴随科技快速进步，电能表在不停地更新换代，以应对大家对于功效和性能越来越高要求。总结其发展脚步，大致能够概括以下：
(1) 感应式电能表
在大家还没开始对于交流电进行开发和应用时期，第一台直流电能表就被科学家利用电解原剪发明出来。尽管其测量精度不尽人意，而且只能局限于测量直流电，不过对于推进电能计量表发展而言，意义重大。在大家掌握了交流电利用方法后，科学家们就依据旋转磁场理论发明出了用于计量交流电量感应式电能表。因为感应式电能表含有较为简单结构，制造成本低，安全性高，寿命长久，易于维修等特点，所以得到了普遍应用。而且在接下来很长时间里，大家全部致力于感应式电能表性能和功效完善。不过，伴随现代电力系统不停发展，高次谐波出现对传统感应式电能表提出了挑战。在高次谐波影响下，感应式电能表优点被“淡化”，原先“隐藏”在暗处缺点得以放大。不仅测量精度和测量频率不能满足现代工业要求，而且因为感应式电能表制作原理不足，功耗问题已经变成一个不容忽略事实。功效单一感应式电能表逐步被现代工业和现代电力用户所“抛弃”。
(2) 机电式电能表
在大家对电能表功效和性能要求不停提升情况下，发觉能够将电子电路应用到感应式电能表，保持制作基础工作原理不变，使得感应式电能表功效得到深入改善，发明出机电式电能表。机电式电能表又常常因为它工作原理被称为脉冲式电能表，它是利用机体发出电脉冲，依据光电转化原理进行工作，从而完成电能测量。机电式电能表在传统感应式电能表基础上进行了改善，突破了原先存在部分不足，使用寿命延长，抗干扰能力深入加强。不过因为其制作和利用工作原理及理论在本质上和感应式电能表一致，所以仍然没有措施克服测量频率范围窄、测量精度不足缺点。不过机电式电能表出现和应用，激发了大家发明全电子式电能表动力，而且提供了新思绪。
(3) 电子式电能表
电子式电能表发明得益于功率测量原理，这个原理是由日本科学家首先提出，而且很快就将其应用到实践中。因为电子式电能表是在机电式电能表提出旋转结构基础上得以实现，所以又被叫做静止式电能表。因为制作和工作原理得到了改善，电子式电能表能够突破以往电能表很多局限之处。测量精度得到了大幅度提升，寿命深入延长，测量频率范围已经从开始窄频带得到了很大拓展，能够实现几千赫兹频率跨度。同时，对于高次谐波抗干扰能力得到了大幅度提升，高功耗问题也得到了一定处理，迎合了现代工业要求，所以电子式电能表很快就替换了其它电能表，在全球范围内全部得到了广泛应用，而且性能在不停地得到改善。全球科技竞争愈演愈烈，电力电子技术和通讯技术“全方面开花”，科技越发达，电能表性能越优越。现在，电子式电能表有了更长久寿命，更精巧外形，更正确测量精度，更强大抗干扰能力。实用电能表向功效多元化发展前进是不可逆转一个大趋势。
1.1.3 电能表发展现实状况
因为发展中国家和发达国家科技发展水平不一样，电子式电能表在发达国家应用更为普遍。日本早在上个世纪70年代就首先研制出电子式电能表，欧美发达国家更是紧跟其后不停研制出性能愈加完善电子式电能表，而且仅仅用了十年发展时间，就推出了性能优越、功效完善全电子式多功效电能表。现在事实就是，工业发达国家在电能表市场上占据了绝对性不可撼动位置。
中国作为一个发展中国家，因为经济和科技双重原因，在电能表自主研发领域起步较晚。直到上个世纪90年代，中国自主研发电能表事业才真正起步。多年来，中国创新意识被唤醒，科技得到快速发展。能够自主研制电能表企业，不管是在数目上还是在技术上全部有了质飞跃，在技术改善和创新过程中，已经出现了少数能够在技术和口碑全部领先于国际水平企业。不过从整体角度出发，中国科技创新水平还是落后于发达国家和工业发达西方国家，在电能表研制方面还要做出更多努力和创新。
1.2 多功效电能表
1.2.1多功效电能表现实状况
猛烈市场经济下，电能表只有不停地改善和完善工作性能才能立足。单一功效电能表早已不能满足市场和用户需求，为了适应市场发展、用户期望，多功效电能表很快就被发明出来并得到应用。从功效上讲，多功效电能表就是指除基础电压、电流等电量测量、有功和无功功率计量外,还应含有分时、通讯等两种以上功效,而且还要含有存放、显示、传输数据和和上位机之间进行通讯功效。
多功效电能表在中国起步较晚，近几年才开始有了长足进步。另外中国地域宽广，南北、东西经济发展水平差距大，在部分经济发达主干城市已经开始普及多功效电能表。不过在经济较为落后农村仍然沿用传统单一功效电能表，负责抄表工作人职员作强度大、工作量多，而且工作效率低，尤其在外部环境恶劣情况下。这就迫切要求制作电能表厂商应该从实际出发，研制出愈加实用方便多功效电能表，加大多功效电能表普及力度。
1.2.2多功效电能表存在问题
尽管，中国大城市已经在普遍使用多功效电能表，不过仍然存在部分问题。
（1）成本高。多功效电能表使用方便，不过对于用户来说价格却偏高。伴随功效深入扩展，制作成本也在不停抬升，销售价格伴随制作成“水涨船高”。成本对于电能表生产商是一个负担，而价格更是电力用户考虑原因。过高制造成本使得制作商“望而却步”，阻碍了厂商扩展多功效电能表生产规模决议，不利于产品在市场上大规模推广。近几年，因为电力电子器件发展，制作成本不停下降，成本问题也会慢慢地得四处理。
（2）安全性。多功效电能表需要实现功效较多，传输数据对应增多，现在市场自由竞争猛烈，信息安全性尤为关键。这对于传输数据通信方法是一个严峻考验。为了保障电力用户利益，防窃电技术也将成为未来电能表发展一个关键技术支持。
（3）灵活性差。多功效电能表早就宣称已经朝着智能化和网络化方向发展，不过智能化也只不过是大家事先将“预见”可能事件写入程序，不停地进行实时检测，当发觉这类事件发生时才会做出对应响应，并“自行处理”出现问题，排除潜在危险。当出现大家无法预知事件发生时，“有大脑”电能表也就无能为力，失去抵御能力。
1.3电能表发展前景
电子技术快速发展，拉动了信息通讯、传感器等技术发展。快速发展技术在满足了电力用户多种期望同时，也使得其对于电能仪表要求越来越高，这就要求电能表要在精度、可靠度、便捷性方面有深入新改善。未来多功效电能表发展方向大致就是高精度化、高可靠性化、网络化和智能化。
(1) 高精度。精度是评判电能表功效好坏关键指标，精度高低直接影响到电能表反馈信息正确性。市场上大量流通电能表精度通常全部在0.2S水平。在日程生活中，电能表是要作为测量电能工具发挥作用，需要长时间不间断工作。所以在不一样外界环境下、不一样电能频率下，保持电能表测量精度稳定性也是十分关键。
(2) 高可靠性。电子式电能表制造关键基于电力电子器件，所以电力电子器件性能直接影响甚至决定了电能表性能。所以要确保和提升电能表可靠性，就必需处理电力电子器件可靠性问题。电力电子器件性能，将是攻破电能表在发展过程中“瓶颈”问题关键原因。
多功效电能表正在朝着高精度、高安全性、智能化和网络化方向上发展，关键技术支持是必不可少。这些技术关键有谐波测量技术，通讯技术，软硬件冗余设计技术，抗饱和技术和线性赔偿技术等。
1.4课题研究背景及内容
1.4.1课题研究背景
社会经济发展，带动电能迅猛发展；现现在电力系统发展又成为了国家经济发展和国民生活质量提升决定性原因。作为测量电能仪表，电能表发展就变成了关系国家百姓生活舒适度一个关键工具。高精度三相多功效电能表研制和应用,是适应时代发展重大项目，而且能够拉动整个仪器仪表业发展，拥有不可估量经济价值。研制功效强大、使用方便、功耗低电能表也和国家建设“资源节省型、环境友好型”社会理念相契合。
1.4.2课题研究内容
本课题意在从实际需求出发，设计一款经济实用且结构简单多功效电能表。首先要了解电能表工作原理和在中国外发展历程，从工作原理出发分析电能表存在优缺点；然后依据本课题要实现功效，从实现功效可行性、可能性和使用方便性等方面进行考虑，进行整体设计方案选择和论证。再依据模块化思想设计标准，将整个硬件设计方案分解为主控模块、显示和按键模块、电流电压采样模块和RS485通讯接口模块等模块进行单独地设计，最终经过连线将不一样板子进行整合，建立各个电路板之间联络，完成整个课题硬件部分设计。同时要对软件开发平台进行认真地了解，一样采取模块化思想，编写各个模块软件程序，实现对应模块预期功效。最终进行软硬件部分之间测试和试验，假如发觉存在问题，就立即地处理问题，不停地完善软件程序设计和硬件电路设计。最终完成整个课题设计工作。

第二章 多功效电能表硬件设计

2.1整体方案设计
本文设计三相多功效电能表硬件，在整体结构上关键由主控模块、电源转换模块、电流电压采样调理模块、LCD段码显示模块、RS485通讯接口模块、按键输出模块和EEPROM存放模块组成。其中系统总体结构框图，图2.1所表示。

图2.1 系统总体结构框图
本文中主控芯片采取型号为STM32F103RC微控制器，在确保电流、电压采样精度前提下，使得结构尽可能简练，避免了复杂多变电路布局，愈加方便PCB板制作，而且成本较为低廉。其中，在采样调理电路设计中，采取电流互感器进行电流信号采样，而电压采样部分使用高精度电阻分压网络进行采样设计。
2.2 主控芯片选择
在设计多功效电能表过程中，确定主控芯片时，通常有两种选择方案。
片上系统SoC往往会成为设计者选择，这是一个专用电能计量芯片，内部集成了CPU和一系列电能计量功效模块，自行对采集到电量进行转换和计算，软件设计部分简单，易于实现。不过片上系统Soc价格昂贵，会使得整个设计成本大增，所以这种片上系统不适用本课题进行设计。
本文选择使用型号为STM32F103RC微控制器作为主控芯片，其中电量计算任务需要在软件里完成，即使加大了软件编程难度，不过在很大程度上控制了课题设计成本，而且该型号芯片也含有一系列显著优点。
2.2.1 STM32F芯片介绍
基于ARM7和ARM9内核进行设计是微控制器发展一个经典趋势，第一个基于ARM Cortex-M3内核微控制器STM32由意法半导体（ST Microelectronics,简称ST）推出。Cortex系列关键拥有3个不一样分支，分别是A分支，R分支和M分支。STM32隶属于M分支，属于微控制器系列产品，同时在结构组成上STM32也分为基础型和增强型两个不一样版本。其中STM32基础型外挂设备数目少，最高只能承受36MHz时钟频率,而增强型STM32拥有完整外部设备，同时CPU能够在最高72MHz时钟频率下运行
2.2.2 STM32F芯片优势
最初研制STM32系列微控制器就是以提升系统性能和降低工作时功率损耗为目标，STM32出现是微控制器领域一个新飞跃，和以往微控制器相比较，含有突出优越性。
(1) 精密性。STM32是比较高端一个微控制器，集中分布着完备外设，布局精巧，器件放置紧密且不失独特征。比如STM32含有两个12位高精度ADC转换器，而且在一定条件下能够实现同时工作，衍生出多个转换模式，功效强大。
(2) 可靠性。STM32外设布局越来越精密，不过对于可靠性要求并没有所以降低。为了在外挂器件越来越多情况下，依旧能够保持高可靠性，STM32配置充足硬件电路，关键包含低电压监测器、时钟管理器和看门狗等。比如时钟管理系统负责监测外部时钟工作，一旦外部时钟源发生问题，系统就会自动将内部振荡器切换为主时钟源。
(3) 安全性。信息时代，最为猛烈就是信息竞争，确保信息在传输过程中保密性，是实现信息安全必需步骤。一旦数据中包含信息泄露，整个信息传输就没有继续下去意义。STM32能够经过锁定Flash引脚来确保信息不会泄露和被窃取，一旦出现想要获取芯片内部信息行为，引脚状态就会被拉高，STM32会自动清除芯片内部信息。从而最终确保信息安全性。
(4) 在线调试。STM32支持Thumb-2指令，能够在C语言环境下完成软件编译、仿真和调试。在软件平台上编写程序能够经过下载口，下载到STM32芯片内部，进行在线调试，方便实时发觉错误并进行立即修改，实用性强。
2.3 硬件电路设计
2.3.1 主控电路设计
本课题以型号为STM32F103RC微控制器作为主控芯片。要实现多功效电能表预期功效，主控芯片必不可少，电量计量任务、显示和显示器切换功效和RS485通讯功效全部需要在主控芯片内设计和进行。STM32F103RC微控制器最小系统由复位电路、时钟电路、电源转换电路和下载电路组成。其中，复位电路就负责主控芯片初始化；时钟电路负责为系统提供时钟基准，不过在本课题中，系统利用是内部时钟，所以并没有特意设计外部时钟电路；电源转换电路负责对给定电源进行转换，然后作为系统运行时驱动源；下载端口是连接硬件和软件“桥梁”，负责将编写程序下载到制作好电路板中，进行调试和验证。其中主控芯片原理图，图2.2所表示。

图2.2 主控芯片原理图
STM32芯片本身携带内部RC振荡器，为芯片提供时钟基准，本课题中采取主控芯片属于增强型范围，能够在72MHz时钟下运行。不过内部RC振荡器不足之处是：正确性不够，而且稳定性不好，所以在设计时常采取外部晶振时钟源。通常情况下，外部时钟源能够分为高速外部振荡器、低速外部振荡器和时钟输出。在本课题中，主控芯片选择外接晶振电路，属于高速外部振荡器。该电路由C9、C10、Y1组成，由它为主控芯片提供时钟基准。同时原理图中分布电容C8~C16存在意义就是稳定电源，使得整个系统稳定性得以提升。
因为STM32F103RC引脚能够承受最高电压范围为2.0V~3.6V，通常情况下选择+3.3V，所以需要对给定电源进行转换。本课题中，设计电源转换电路采取芯片型号是ASM1117-3.3 ，此电平转换器件含有体积小、损耗低而且稳定性能好等优点，同时它最高能够输出1A大小电流，这一特征使得该芯片几乎能够和全部电子网络芯片进行匹配，所以得到了普遍应用。该系统中电源转换电路原理图，图2.3所表示。

图2.3 电源转换电路原理图
STM32F103RC型号微控制器驱动电源为+3.3V，实际中能够提供是+5V直流电源，所以本电源转换电路实现功效就是将+5V直流电源经过芯片AMS1117-3.3转化为+3.3V直流电源，实现为主控芯片进行供电功效。其次，电量计量单元作为多功效电能表关键部分，计量正确度和精度将直接影响电能表最终功效实现程度，所以在硬件电路设计中一定要排除影响采样和计量精度内外部原因。图2.3所表示，数字地GNDD和模拟地GNDA采取磁珠来进行连接，抑制电源线中涌动高频噪声和干扰信号，使得系统愈加稳定。同时设计由0.1μF和10μF电容组成并联电路，将该电路置于电路输出端，含有滤波和稳定电压作用，深入提升了输出电压稳定性。
STM32F10XX系列单片机支持系统复位、上电复位、备份区域复位三种复位模式。STM32F103RC芯片同时含有内部复位功效，当系统检测到供电引脚上电压低于2V时，就会自动复位，不过会存在迟滞问题不足。故在进行本课题设计时，为了确保安全性采取外部复位电路来实现系统复位，最小系统复位电路图2.4所表示。

图2.4 复位电路原理图
该复位电路属于系统复位范围外部复位方法，当送入芯片引脚NRST信号为低电平时，芯片进行复位。通常情况下，CPU在上电后需要处于一个确定初始状态，而且经历短时间复位后，芯片就要从这个初始状态开始工作，这项工作要由复位电路得以实现。图2.4复位电路所表示，阻值为10K电阻R5使得流入主控芯片引脚电流只有0.33mA，确保芯片安全，避免了电流过大将芯片毁坏情况发生。系统开启时，按下按键KEY_rst时，Reset处信号被拉低，芯片引脚NRST信号为低，芯片复位；当按键抬起时，Reset处信号便会拉高，芯片引脚NRST信号为高，芯片不会复位。复位电路中电容C17，有稳定电路作用，使电路性能愈加优越。
STM32支持不一样开启模式，而且在进行软硬件调试时离不开下载端口，系统开启模式和下载端口电路原理图图2.5所表示。

图2.5 开启模式和下载端口原理图
首先，STM32主控芯片含有不一样开启方法，开启模式由BOOT0和BOOT1取值组合决定，不一样开启方法决定了主控芯片在进行复位后，从某一特定区域开始实施系统程序。当编程完成，电路板制作结束后，就能够对程序进行下载，STM32支持仿真和下载方法有两种，分别为JTAG模式和SWD模式。其中，JTAG模式要用到5个I/O口，而SWD模式只要用到2个I/O口。考虑到节省资源和结构简化，本设计采取SWD模式进行下载，下载端口只需要将2根线连到主控芯片，另外2根线连接到电源和地，这么就能够进行程序下载。
2.3.2 采样电路设计
电量采样是实现电能表功效关键技术，只有确保采样精度和正确度才能确保电能表功效实现正确性。电流采样调理原理图图2.6所表示。

图2.6 电流采样调理原理图
本课题采取电流互感器进行大电流采样过程，之所以选择电流互感器而不选择采样线性范围比较广电阻网络取样，是因为电阻在经历过长久工作后，阻值会受到温度和其它部分外部原因影响而发生改变；而采取电流互感器方案就能够确保在长久工作条件下，其阻值稳定性很好。图2.6中电流信号是取自电路中大电流经过电流互感器变换后产生小电流信号。其中，经过电源转换电路后得到+3.3V直流电源，再经过分压电路后变成+1.65V，得到基准电压Vref，该信号用于抬升电流信号基准。采集到小电流信号I经过LM358输出信号计算公式（3-1）为：
Ua_c=Vref-I×330 （3-1）
其中Vref为+1.65V，因为I值是毫安等级，所以从LM358端输出信号会处于0~+3.3V电压范围内，处于芯片能够承受信号范围内，确保了芯片安全性。图中电容C1作用就是滤除采样点干扰信号，稳定由分压电路得到电压信号，去除杂波信号；最终将经过调理采样电流送进STM32内部自带A/D转换通道口，以后计量算法中，在减去基准电压基础上，再进行对应电量计算处理。包含到算法选择部分，参考本论文软件部分相关算法具体说明。
系统要处理电压信号属于大电压，假如直接将大电压接到芯片引脚上，很轻易就会将芯片主板烧毁，造成损失。所以要对采样得到电压信号进行处理，这就需要电压调理电路，本篇论文利用电阻分压网络进行电压采样调理电路设计，其中电压采样电路原理图图2.7所表示。

图2.7 电压采样原理图
本课题中设计电能表是三相多功效电能表，需要采集三相电压信号。以其中A相电压作为实例进行叙述。如上图2.7所表示，A相电压采样电路（以220V交流电为例）中，电阻R10~R14是分压电阻，阻值全部为200K。其中采取多电阻串联替换单个大电阻原因关键有：预防产生大电压降，愈加好地确保电路安全性；降低电阻在工作时承受电压大小，减小电阻工作时功率，所以就能够选择小功率电阻。R15为采样电阻，阻值为2K，接在放大器正向输入端。同时将经过分压处理基准电压接入放大器反向输入端，从运算放大器输出端引出信号就是要送入主控芯片引脚电压信号。其中A_v计算公式（3-2）为：
A_v=Vref-Av500 (3-2)
A_v信号类似于经过调理电流信号，直接送到STM32F芯片自带A/D转换通道口，进行模拟量到数字量转换，然后将基准电压1.65V减去后，根据制订计量算法在软件中进行电量计算。本分压电路网络中，用于分压场所电阻通常情况下阻值在欧姆级和千欧姆级之间，采取封装也比较小，不用担心占据电路板太多空间。同时经过阻值为200K电阻电流计算公式（3-3）为：
I=Av-10001002×Vref200×5×1000 (3-3)
其中Av最大值能够达成220×2≈311V，Vref为1.65V，则经过200K分压电阻最大电流约为0.31mA，所以每个电阻承受功率计算公式（3-4）为：
P=I2×R≈0.02w （3-4）
可知只要选择四分之一功率电阻即可。
2.3.3 按键显示电路设计
显示模块电路作用就是将经过采样、调理和计算后得到电流、电压和功率在显示器上进行显示，所以显示功效完成是电能表功效实现关键指标；而按键电路作用就是进行显示器切换和变量设置，其中，按键电路原理图图2.8所表示。

图2.8 按键电路原理图
本课题在进行原理图设计过程中用到四个独立按键，其中阻值为10K电阻R1~R4，作为上拉电阻含有限流、保护电路作用，而电容C3~C6作用就是进行按键抖动消除，抑制电路中低频干扰。其中K1键作为PageUp按键，进行向上翻页动作；K2键作为PageDown按键，进行向下翻页动作。K3和K4键作为预留按键，用于以后功效扩展。按键功效属于显示模块拓展功效，显示模块电路原理图图2.9所表示。

图2.9 显示电路原理图
在图2.9显示电路原理图中，由10uF和0.1uF电容组成并联电路作用就是：稳定电压，消除存在干扰信号，并联电容值存在倍数差异，能够扩大抑制干扰信号频率宽度，提升系统稳定性能。本课题采取了段码LCD方法进行显示功效设计，LCD段码显示方法由来已久，在液晶显示器应用早期，段码液晶称呼就已兴起，它出现关键是为了替换LED数码管，LED数码管关键应用于计算器、钟表等简单仪器，结构简单，功效易于实现。发展至今，非点阵类液晶显示器全部被称为段码液晶屏。段码LCD显示和LCD液晶显示关键区分就在于LCD液晶显示利用点阵进行编码显示，而LCD段码显示则是以段码形式进行编码显示。LCD段码显示器通常能够采取HT1621系列芯片进行驱动。由显示电路电路图可知，HT1621B结构简单，和主控芯片连线十分简练，只需要将CS，WR，DATA多个引脚连接到主控芯片即可。下载程序方便可靠，而且HT1621B内部自带节电程序，在很大程度上降低了功率消耗。由本芯片驱动液晶屏显示关键内容有电流有效值、电压有效值、三相电功率消耗情况。
2.3.4 RS485通讯电路设计
RS485是一个双向半双工通信协议，含有经济高效、抗干扰能力强、传输速率快、传输距离远特点。通讯接口通常分为串行接口和并行接口，RS485接口隶属于串行接口，在近距离传输数据领域应用较为成熟，尤其是在日常工业设计中应用愈加广泛。本文采取MAX13085E低功耗收发器，该芯片内部集成驱动器和接收器，其中驱动器负责建立电气特征电平和数字信号电平之间联络和转换。RS485通讯电路原理图，图2.10所表示。

图2.10 RS485通讯电路原理图
图2.10中6N137是高速光耦合器芯片，用于电源和信号隔离。该电路中采取独立于主板电源转换电路设计，使得电路运行愈加安全稳定。MAX13085E性能优越，工作可靠，含有一个信号接收器和一个驱动器，为了确保芯片抗干扰能力，在A、B端分别接有上拉电阻和下拉电阻，用来保护芯片可靠运行。当RE端为低电平时，假如引脚端A-B≥-50mA，则RO端为高，接收信号；反之，RO端为低，DI端为高，发送信号。其中RO为数据接收端，经过光耦合芯片6N137接到主控芯片RXD引脚，DI为数据发送端，经过光耦合器接到主控芯片TXD引脚，A、B端负责接收和发送总线上传送信息。
需要进行说明一点是，为了方便功效扩展和二次开发，本课题在设计过程中只是预留了RS485通讯接口。
2.3.5 存放电路设计
因为检测到信号和计算得到数据全部是以变量形式储存在STM32FRAM区内，而RAM又是掉电易失性，一旦电能表在运行过程中失电，再次运行时，数据就已丢失，所以必需设计外部存放电路进行数据掉电保护。本课题选择24C02芯片进行EEPROM存放电路设计，24C02在仪器仪表和工业自动化设计中应用最为广泛，关键得益于其含有电路简单，接口方便，占用面积少，掉电数据不丢失等特点。EEPROM存放电路图2.11所表示。图中电容C14作用是稳定电压。

图2.11 EEPROM存放电路原理图
2.4 本章小结
本章进行介绍关键是围绕多功效电能表硬件电路设计。首先对课题整体方案进行介绍，而且针对所用主控芯片选择进行了叙述，然后针对硬件电路设计进行了大约叙述，包含主控电路设计、电源转换电路设计、采样电路设计、显示和按键电路设计、RS485通讯电路设计和EEPROM存放电路设计。并对其中多个关键电路进行了具体介绍和分析。

第三章 多功效电能表软件设计

3.1 软件设计
3.1.1 软件开发平台MDK
Keil MDK是著名软件企业Keil研制并开发微控制器软件开发平台。Keil企业是一家在微控制器（MCU）软件开发领域地位卓越国际企业，而且于被ARM企业收购，是现在针对ARM内核单片机开发主流平台产品。Keil提供了一整套完整开发方案，关键包含C语言编辑器、连接器、宏汇编、文件库和一个功效强大在线仿真调试器。这些功效经过uVision集成开发环境被集结在一起，现在正在使用最高版本就是uVision4，该平台所依附编译界面和C语言研发平台界面比较相同，界面环境设计人性化，易于初学者学习和应用，更适合深一步研究和开发。不仅如此，在软件在线调试和仿真方面功效也很强大。通常情况下，致力于ARM开发工程师全部将此开发平台作为首选。
Keil MDK软件开发平台开发周期和其它部分软件开发平台周期大同小异，通常包含以下多个步骤：
（1） 首先创建一个新工程，选择对应芯片型号，同时将创建工程所需要固定配置提前设置好。
（2） 编写工程源代码，通常采取C语言或汇编语言，在本课题中采取是C语言。
（3） 编译程序，查找程序中语法和逻辑错误。
（4） 修改在编译过程中出现问题。
（5） 编译经过后，能够将程序下载到硬件开发板中，进行软硬件联机调试。
这就是利用MDK软件开发平台进行开发关键周期。
3.1.2 软件设计步骤
为了提升系统运行速度，改善系统性能，在进行软件设计时，也采取了模块化思绪，本文中软件编程采取了调用固件库函数设计方法。不管使用微处理器发展到何种地步，进行设计时，最终还是要对寄存器进行操作，不过STM32拥有数百个寄存器，要想对每个寄存器全部了如指掌是及其困难。调用固件库函数进行编程就能够处理这个困难，STM32固件库就是函数一个集合，固件库函数作用就是首先负责直接和寄存器建立联络，其次为用户提供函数调用接口（API）。其中软件整体设计框图图3.1所表示。

图3.1 软件整体设计框图
在设计多功效电能表主控电路时，考虑到外部晶体振荡器速率较低，能够愈加好地确保系统稳定性，所以选择8MH晶体振荡器，同时在软件中选择7倍频设置，很好地提升了系统处理程序速度。
3.2 主程序设计
软件主程序负责整个系统初始化、各个模块固件库函数和中止函数调用，其中主函数步骤图图3.2所表示。
由图3.2可知主程序设计思绪为：系统上电后，首优异行各个模块配置初始化，设置100ms定时刷新时间，实时监测定时时间是否抵达，假如定时时间到，进行数据处理和保留；数据保留后，实时