本发明涉及电路测量技术，具体是一种基于stm32的单相电能质量检测仪。
背景技术：
电能质量是指电力系统中电能的质量。理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题，最后，我们要研究如何消除这些因素，从而最大程度上使电能接近正弦波。
目前的检测装置存在测量精度不高的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于stm32的单相电能质量检测仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于stm32的单相电能质量检测仪，包括系统板、移相电路、电压抬升电路、锁相环倍频电路、滤波电路、相位差监测电路和lcd显示电路，所述电压抬升电路、锁相环倍频电路和相位差监测电路均与系统板相连接，所述系统板为stm32单片机，系统板的输出端连接lcd显示电路，相位差检测电路还连接有两路滤波电路，两路滤波电路分别连接有移相电路和信号源。
所述移相电路具有ka1458系列运放芯片与运算放大器组成有源移相电路，其中1脚为第一组移相输出端，3脚为第一组正输入端即电压信号从此脚输入，2脚为第一组负输入端接地，5、6、7三个引脚则为第二组运放，5脚和6脚为正负输入端，8脚为12v正负电源引脚，而4脚为12v负电源引脚；所述抬升电路使用ad823运放芯片，并采用双电源供电，电压范围在-18v至 18v之间；所述锁相环倍频电路采用通用型cmos锁相环芯片cd4046与bcd加法计数器cd4518，电压信号从cd4046的14脚输入，4脚输出，r1、r2引脚分别外接一个确定好参数的电位器用于精准锁定频率，同时4脚输出的信号作为cd4518的时钟触发信号；所述带通电路为二阶有源滤波电路。
作为本发明的优选方案：所述相位差监测电路具有双d触发器cd4013。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置能够对信号精确采集，并通过相位差监测，设计模块化，运行可靠，测量数据全面并准确显示电压，电流的运行波形，长时间监测，连续测量电压、电流、功率、和功率因数，起动测量，可测量大功率负载起动或停止对电网的冲击。
附图说明
图1为本发明的整体电路框架图。
图2为本发明的移相电路图。
图3为本发明的抬升电路图。
图4为本发明的锁相环倍频电路图。
图5为本发明的带通电路图。
图6为本发明的整形电路图。
图7为本发明的相位差监测电路图。
图8为本发明的主程序流程图。
图9为本发明的ad采样子程序流程图。
图10为本发明的频率采集子流程图。
图11为本发明的相位差高电平采集子流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种基于stm32的单相电能质量检测仪，包括系统板、移相电路、电压抬升电路、锁相环倍频电路、滤波电路、相位差监测电路和lcd显示电路，所述电压抬升电路、锁相环倍频电路和相位差监测电路均与系统板相连接，所述系统板为stm32单片机，系统板的输出端连接lcd显示电路，相位差检测电路还连接有两路滤波电路，两路滤波电路分别连接有移相电路和信号源。
其中信号抬升电路是将待测的电压电流信号中低于0v的信号抬升至0伏以上，以便通过引脚端口进入单片机进行电压采集；移相电路则是将两路信号的其中一路转换为电流信号，同时通过四个可调电阻对当前两路信号的相位进行实时可调，以便于下一步对实时相位差进行检测；倍频电路由锁相环电路对信号频率进行放大，再在软件中通过处理还原真实的频率值；本设计只测试50hz的信号，所以对信号频率的精准测量有较好把握，但为了保证效果，决定在相位差检测前再加入一个带通滤波电路用于信号整形；最后将电压电流的一个信号周期曲线及相应参数在lcd屏上显示。
装置工作时，信号源发出的电信号通过电压抬升电路进行抬升，再通过系统板进行处理后通过lcd显示电路显示准确示数，对于相位差监测则是将两路信号同时输入，计算两路信号的触发间隔在整体周期内的百分比来测量相位差，信号源的电压信号分为两路，一路通过平移使待处理电压信号处于0-3.3v范围内，再让平移后的电压信号通过电压抬升电路进行进入stm32单片机进行a/d转换；另一方面电压信号通过移相电路后变为电流信号，同样通过电压抬升电路进入stm32单片机进行a/d转换，并与电压信号滤波后进行相位差检测，同时将电压信号输入锁相环倍频电路以确定频率。
如图2所示，所述移相电路具有ka1458系列运放芯片与运算放大器组成有源移相电路，该系列是通用型双运算放大器，其中1脚为第一组移相输出端，3脚为第一组正输入端即电压信号从此脚输入，2脚为第一组负输入端接地；5、6、7三个引脚则为第二组运放，5脚和6脚为正负输入端；8脚为12v正负电源引脚，而4脚为12v负电源引脚，所述移相电路为rc移相电路，设计使用两级移相以实现0-180度移相，电压信号进入移相电路，通过一个300k的电位器与0.01uf的电容组成的两级移相电路可实现电压信号与电流信号处于不同相位的功能，设计中采用两个两级移相电路，通过调节四个300k的电位器控制双路信号的相位差，由于级数越多，要控制消除的干扰越多，故采用两个两级移相电路，由一个单刀双掷开关选择起作用的移相电路，移相后的信号从ka1458的7脚输出。
如图3，所述抬升电路使用ad823运放芯片，并采用双电源供电，电压范围在-18v至 18v之间；系统将抬升和反相分开处理，在反相端除了将电压的交流信号进行五倍缩小，同时在反相端加入5v直流电压源，以确保即使在-5v～ 5v的最大幅值情况下输出的信号也在0-3.3v内，以便单片机能对两路信号进行有效的ad采样，其中在同相端的电阻作用是为了减少该端接地对抬升电路产生干扰；具体的，抬升电路的参数计算公式如下：
vi表示需要抬升的输入信号，vdc表示5v直流电压源，其中r1和r2取50k，r3取10k，用于缩放电压值之用，抬升后的信号由ad823的1脚输出，再由一个反相器进行反相输出，最后在ad823的7脚输出，此时输出的信号即为可直接进入最小系统板的信号，抬升后的电压信号由pc0进入stm32单片机，而抬升后的电流信号则由pbo进入单片机进行ad转换。
如图4，所述锁相环倍频电路采用通用型cmos锁相环芯片cd4046与bcd加法计数器cd4518，电压信号从cd4046的14脚输入，4脚输出，r1、r2引脚分别外接一个确定好参数的电位器用于精准锁定频率。同时4脚输出的信号作为cd4518的时钟触发信号，通过计数器对频率进行放大，再将倍频后的信号输出。
如图5，所述带通电路为二阶有源滤波电路，让信号只能由50hz的信号通过，中心频率为50hz，可由此计算电容电阻的参数，计算公式如下：
其中c＝c9＝c10,取1nf,则r34＝r1＝10k,r36＝r3＝10k,r35＝r2＝10k。
如图8，装置主函数程序中首先对系统时钟进行了初始化，由于硬件中对电压和电流信号的采样是使用pb0和pc0两个端口，所以系统时钟初始化函数中包括对pb0、pc0端口以及两个adc时钟配置的初始化。然后还需要在gpio_config()(端口的设置函数)中将端口的模式设置为模拟输入状态，同时配置adc函数为双adc、多通道工作模式，最后对lcd进行初始化。完成这些初始化步骤后再通过各个子程序对设计功能进行实现，主要分为三个子程序：ad采样子程序；频率采集子程序和相位差检测子程序，为了实现数值的实时刷新，软件中给每一部分子程序分配一个定时器以便于及时刷新数据。
如图9，ad采样程序中分配了定时器tim2，由于设计将pc0和pb0口分别作为电压电流信号传输端，所以在tim2中需要对gpiob和gpioc口进行配置，为了确保在屏幕上能显示一个完整的信号周期，选择采样4个周期，然后将四个周期的的1024个点存入数组，再将数组中的每组数值进行软件滤波输出。
如图10，频率采集程序中分配了tim3和tim5两个定时器，其中tim3定时器用于实时刷新频率值，而tim5则用于对pa0口进行初始化配置以及使能该定时器。信号频率正好是该信号的一个周期的倒数，而一个信号周期是指一个高电平到下一个高电平中间的时间间隔，所以在软件中也采用这种方式对信号周期进行确定。首先设置tim5为上升沿捕获，故而当第一个上升沿到来时tim5会记录一次数据，然后等待下一次上升沿到来，在这个过程中若一直处于高电平，则默认捕获第二次上升沿，记录下第二次上升沿的数据后将两次数据相减就可以得到一个时间间隔，此时需要判断此间隔是否溢出，若无，则为最终的周期，否则需要对数据进行溢出处理后再得出最后的周期。
如图11，相位差检测高电平采集程序中分配了定时器tim4，设计将pb6口作为数据传输端，所以在tim4中需要对gpiob口进行配置，因为待测信号的频率已经在频率采集程序中完成了，又因为双路信号已经由异或非门输出，生成了一个处于不同周期的信号，并将它们之间的相位差转换成这个信号周期中的高电平部分，所以在此程序中，只需要计算上升沿和下一个下降沿的时间间隔就可以了。在软件计算高电平的时间间隔在待测信号的频率周期的占比乘以360就得出电压信号和电流信号的相位差。
实施例2：
在实施例1的基础之上，如图7，所述相位差监测电路具有双d触发器cd4013，通过双d触发器cd4013实现对有相位差的两路信号的检测，该电路中首先将两路信号进行整形将其变为方波信号，再将两路输出信号一路作为时钟信号，一路作为触发信号；当复位端与置位端同为低电平时，输出与输入相同，故此时将电压信号作为时钟信号，电流信号作为输入，当上升沿到来时，若电流信号为高电平，则绿灯亮，表示电流滞后；若红灯亮，则表示电压滞后；同时两路整形后的信号通过一个异或非门，则可产生一个新的信号周期，其高电平在整个周期中所占的脉宽即为电流电压信号中的相位差，下表为双d触发器cd4013的真值表。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种基于stm32的单相电能质量检测仪，其特征在于，包括系统板、移相电路、电压抬升电路、锁相环倍频电路、滤波电路、相位差监测电路和lcd显示电路，所述电压抬升电路、锁相环倍频电路和相位差监测电路均与系统板相连接，所述系统板为stm32单片机，系统板的输出端连接lcd显示电路，相位差检测电路还连接有两路滤波电路，两路滤波电路分别连接有移相电路和信号源。
2.根据权利要求1所述的一种基于stm32的单相电能质量检测仪，其特征在于，所述移相电路具有ka1458系列运放芯片与运算放大器组成有源移相电路，其中1脚为第一组移相输出端，3脚为第一组正输入端即电压信号从此脚输入，2脚为第一组负输入端接地，5、6、7三个引脚则为第二组运放，5脚和6脚为正负输入端，8脚为12v正负电源引脚，而4脚为12v负电源引脚。
3.根据权利要求2所述的一种基于stm32的单相电能质量检测仪，其特征在于，所述抬升电路使用ad823运放芯片，并采用双电源供电，电压范围在-18v至 18v之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于stm32的单相电能质量检测仪，其特征在于，所述锁相环倍频电路采用通用型cmos锁相环芯片cd4046与bcd加法计数器cd4518，电压信号从cd4046的14脚输入，4脚输出，r1、r2引脚分别外接一个确定好参数的电位器用于精准锁定频率，同时4脚输出的信号作为cd4518的时钟触发信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于stm32的单相电能质量检测仪，其特征在于，所述带通电路为二阶有源滤波电路。
6.根据权利要求4所述的一种基于stm32的单相电能质量检测仪，其特征在于，所述相位差监测电路具有双d触发器cd4013。
技术总结