【分享】2024年TI杯大学生电子设计竞赛--单相功率分析仪（B.

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                                                                               单相功率分析仪（B题） 【本科组/高职高专组】

一、 任务
       基于TI公司的微控制器（MCU）芯片，设计并制作图1所示针对单相交流供电系统的单相功率分析仪，图中的PA为市售功率分析仪，用于标定和比对本自制系统；系统实现测量用电插座上的负载的电流、电压、有功功率、功率因数、电流谐波系数（THD）、电流基波及其2~10次谐波分量的有效值等参数，系统由电池供电。
二、 要求 ：
（1）基于安全要求，电流测量、电压测量采用电流互感器和电压互感器的传感方法或其他强弱电隔离的传感方式，其中的交流电流互感能用原方多匝缠绕的方法提高其灵敏度，并能在系统中设置匝数比，电流量程为有效值4A，电压量程为有效值 250V。实现对用电插座上负载的电流和电压的测量，与 PA 读数相比，相对误差绝对值≤1%。
（2）实现用电插座上负载的有功功率、功率因数测量，与PA读数相比，相对误差绝对值≤1%。
（3）实现用电插座上负载的电流总谐波系数（THD）和谐波电流的测量和显示，谐波至少测量至10次，与PA读数相比，相对误差绝对值≤2%。
（4）自制系统采用低功耗电路并进行功耗管理设计，系统工作时（非休眠B - 2 / 4 状态）系统功耗≤50mW。）
  （5）其他。
（6）设计报告。
三、 说明
（1）若本题需使用MCU（单片机），必须选用TI公司的MCU作主控单元，型号不限；可以使用内含其他厂商MCU的一体化的液晶屏；不得使用现成（非自制）的电表电路或功率分析仪电路板。
（2）本系统因为涉及交流 220V 供电电路，系统设计和制作必须符合电气规范，强电部分电路做好绝缘处理，操作必须符合安全规范，确保人身安全；电压和电流传感测量方案必须选用隔离的方案。
（3）PA 采用市售三相或单相功率分析仪或带谐波系数测量功能的数字功率计作为标定和比对仪器。
（4）所谓电流传感多匝缠绕是指电流传感时，原方被测电流的导线以多匝（n匝）通过传感器以提高测量灵敏度；自制系统制作时考虑原方导线多匝缠绕操作的便利性。
（5）本系统由电池供电，需在其电路中提供直流电流表和直流电压表测量接口，用于测量自制系统的功耗；电池不封装在作品中，测试时随身携带。
（6）自制系统时，测试负载限定总视在功率在500VA以内，尽量选择实验室现成负载；也可以自制，自制负载时注意用电安全。
                                                                                     摘    要
       本设计以STM32F407ZGT6 单片机为核心，结合 NE555 多谐振荡器和继电器，成功开发了一款能够对电阻、电感、电容、二极管和三极管等电子元件进行精确参数测量的测试系统。高增益运算放大器进行电阻、电感测量以提高精度，采用555定时器构成的多谐振荡器通过频率分析实现电容测量。通过先进的编程技术，系统能够精确捕捉二极管的导通特性和三极管的输入输出特性。迪文触摸屏的引入，进一步提升了用户交互体验，使测量结果的展示更加清晰和直观。经过严格测试，本系统展现出卓越的性能稳定性和测量精度，充分满足了电子元件参数测试的行业需求。
       关键词：继电器，STM32F407ZGT6，迪文屏DMG10600C070_03WTC，NE555。
一 方案比较与论证
1.1 整体方案论证
       系统设计采用模块化结构，以STM32F407ZGT6 MCU为核心，通过继电器模块实现多路电路切换，使用NE555 定时器产生信号源，并通过迪文屏显示测量结果。简易测试仪结构图如图1所示。
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                                                                    图1 简易测试仪结构图
1.2 方案比较与选择
1.2.1 显示屏选择
        方案一：TFT显示屏 该屏可实现高达1920×1080 像素的分辨率，显示效果更清晰。但是TFT屏幕的制造成本较高，易出现亮斑和暗淡区域，如果TFT屏幕的制造工艺不够好，则会出现一些亮斑或者暗淡区域，相对于其他类型的屏幕，TFT屏幕的能耗较高。所以不采用。
       方案二：迪文屏DMG10600C070_03WTC该显示屏界面处理主要集中在屏幕，汇编脚本支持，并且屏和仪表基本交互仅通过变量表变量同步，相对指令屏，简单标准界面操作都可以在屏上面完成，仪表不参与界面控制，而且具有防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等高可靠性特点。它采用了高刷新率、低输入延迟的技术，能够保证更加流畅的画面。迪文屏还拥有多种连接接口和人性化的设计，能够满足用户的多种需求。
       最终选择：方案二。
1.2.2 MPU 的选择
         方案一：采用MSP430F5529芯片实现  该芯片集成了丰富的外设，包括多个通用定时器、通用串行通信接口和通用串行同步/异步接口等，可以满足各种应用的需求。拥有大容量的闪存和 RAM，可以存储大量的程序代码和数据，但是不如其他常见的微控制器普及程度高，这可能导致在获取支持和资源方面存在一些限制。所以不采用。
       方案二：采用STM32F407ZGT6芯片实现 3 该芯片采用了Cortex-M4内核，工作频率高达168MHz，处理能力强大，适用于复杂的嵌入式应用，拥有多个常用外设模块，如UART、SPI、I2C、USB等，便于与其他设备进行通信和连接，芯片内置的Flash存储器可达到512KB，RAM存储器为192KB，能够满足大型应用程序的需求，芯片采用了低功耗设计，支持多种低功耗模式，有效延长电池寿命。该方案简易上手，低功耗，更加可靠。
       最终选择：方案二。
1.2.3 无源滤波器的选择
       方案一：RC滤波器 RC 正弦振荡电路是一种基于电容和电阻的振荡电路，可产生稳定的正弦波信号。该电路由一个放大器、一个电容和一个电阻组成，其中电容和电阻构成了一个反馈回路，使得放大器输出的信号经过反馈之后重新输入到放大器的输入端。
       方案二：NE555多谐振荡器 NE555 是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路，如图2所示。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器，并且具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。
                                                                                                                                                               file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722676946795.png
                                                                                                                  图2 NE555 振荡电路
      最终选择：方案二。
二 理论分析与计算
2.1 电阻测量电路
        电阻测量电路用RSR552高增益运算放大器，提高测量精度，减少由于输入电压不匹配造成的误差。电阻测量电路原理图如图3所示。


                                                                                                     file:///C:/Users/Lenovo/AppData/Local/Temp/QQ_1722677015988.png
                                                                                                图3 电阻测量电路原理图
2.2 电容测量电路
                                                                                                   file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677047429.png
                                                                                              图4 电容测量电路原理图
        考虑到电容测量的准确性和简便性，采用555定时器构成的多谐振荡器来测量电容。电容测量电路原理图如图4所示。NE555振荡电路的工作原理是通过比较器和RS触发器之间的相互作用实现的。当输入信号超过参考电压时，比较器输出高电平，RS 触发器置位，输出级输出高电平信号；当输入信号低于参考电压时，比较器输出低电平，RS触发器复位，输出级输出低电平信号。
2.3 电感测量电路
        电感测量电路原理图如图5所示。
       通过测量出电感两端的电压u和电流i，利用复阻抗公式推算可得出测量电感L，测量公式如下：
                                                                                                                                     file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677155046.png
                                                                                                              file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677137329.png
                                                                                             图5 电感测量电路原理图
2.4 二极管测量电路
                                                                                                            file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677207861.png
                                                                                          图6 二极管测量电路原理图
      二极管测量电路原理图如图6所示。将电源VCC连接到二极管的阳极，二极管的阴极通过限流电阻R连接到地。电压表并联在二极管两端，用于测量二极管两端的电压降。 同时，可通过测量二极管两端的电压降来识别极性。如果测量到的电压降接近于二极管的正向导通压降，则连接到电源正极的是二极管的正极。电压表显示接近电源电压，说明连接错误，需要交换二极管的连接。
2.5 三极管数测量电路
2.5.1 三极管放大倍数测量电路
      三极管放大倍数，也称为电流增益或直流增益，它表示在一定的工作条件下，三极管集电极电流 C I与基极电流 B I的比值。三极管放大倍数测量电路原理图如图7 所示。 首先需要为三极管设定一个合适的静态工作点，即 C I和 B I。这通常通过一个偏置电路来实现，确保三极管工作在其线性放大区。使用电流测量电路来分别测量 C I和 B I。测量得到的电流信号通过放大器进行放大，以便于更精确地测量和显示。根据采集到的基极电流和集电极电流，计算三极管的放大倍数公式(4)所示：
                                                                                                                                file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677257379.png
                                                                                                                                file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677304828.png
                                                                              图7 三极管放大倍数测量电路原理图
2.5.2 三极管极性识别测量电路
                                                                                                           file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677375779.png   
                                                                                       图8 三极管极性识别测量电路
        通过施加特定电压并测量电流变化，准确判断三极管各引脚的功能，三极管极性识别测量电路图如图8所示。本设计使用RS2251模拟开关构建一个三路开关矩阵，实现对三极管三个引脚的不同组合连接。STM32单片机通过IO口输出固定频率的方波信号，模拟三极管在不同工作状态下的电压条件。 导通特性分析：根据三极管的导通特性—基极至发射极（b-e）和基极至集电极（b-c）应导通，而集电极至发射极（c-e）应截止—来判断引脚的极性。 通过改变模拟开关的连接方式，读取导通端口是否输出对应频率的方波。利用STM32 的PWM功能输入方波，并利用输入捕获模块测量频率，以验证三极管的导通状态。
2.5.3 三极管输入输出特性曲线测量电路
（1）三极管输入特性曲线测试
        工作原理：首先，通过精确的测试方法确定三极管的基极、集电极和发射极。利用DAC模块输出稳定且可调节的 CE U。通过另一个DAC模块输出可调节的基极电流 B I，范围从0至2mA，同时使用ADC模块精确读取，确保测量范围覆盖0至1V。设定特定的 BE U值，然后测量对应的 CE U和 B I，以获得三极管的输入特性。
（2）三极管输出特性曲线测试
        与输入特性测试相似，设定基极电流 B I和集电极-发射极电压 CE U。通过测量集电极电阻上的电压降，使用欧姆定律计算集电极电流 C I。在不同 B I条件U下，记录 CE和 B I的关系，绘制三极管的输出特性曲线。
                                                                                                                                             file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677700680.png
                                                                                                                  图9 三极管输入输出特性曲线测量电路
三 电路与程序设计
      3.1系统流程图如图10所示
                                                                                                                                                                               file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677614463.png
                                                                                                                                   图10 系统流程图
      3.2迪文屏设计程序如下
      3.3程序设计
      程序源代码：详细见附录2。
四 测试方案与测试结果
4.1 测试仪器 万用表，示波器。
4.2 测试条件与测试结果
4.2.1 测试条件
         经多次检查，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，硬件电路保证无虚焊。
4.2.2 基本要求
        多次将电阻电容电感二极管插入简易元器件测量仪中，看其是否能自动识别各元器件并在误差允许范围内测量其参数,测试结果如表1。
                                                                                                             表1 基本要求测试
                                                                                                                                                          file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677513398.png
4.2.3 发挥部分
                                                                                                                                                         file:///C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Temp\QQ_1722677558047.png
                                                                                                    图11  三极管输入和输出特性曲线
4.2.4 其他
        加入热敏电阻估计室温，显示实时的温度，同时播报测出的数值。
4.3 测试结果分析
      在多次实验测试后发现，系统可以完成题目的基本要求，利用继电器吸合和断开控制电路开关,提高了效率,利用 NE555 多谐振荡电路模拟了特性曲线波形,使用了迪文屏进行显示，达到清晰且方便的显示测量元器件的参数，但是系统反应时间过慢，测试时间过长，成本较高，并且测试结果与现实状况有一些误差，还需要后期去校准，进一步的提高系统效率。 五 总结与体会 本项目利用STM32F407ZGT6 芯片开发了一款简易电子元器件参数测试仪，实现了对元器件参数的精确测量，同时保证了系统的稳定性和可靠性。迪文屏的引入优化了参数和特性曲线的展示。通过广泛研究和利用网络资源，我们加深了对模块和元件功能的理解，为测量和仿真提供了支持。虽然目前设计多基于现有模块，但我们将不断学习，努力实现自主创新设计.