一種基于STM32的電量及非電量檢測裝置的研制

王 捷， 凌百舟， 何瑤瑤

(上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

節能的意義不僅在于減小用電量，還要注意用電產生的效果。電機系統包含電機本體、電力傳動裝置、機械傳動裝置、系統終端和管網等環節，各環節的能量損失之和構成了電機系統的總能量損失。電機系統的能效主要考察系統輸入邊界到系統輸出邊界的能量情況。對用電系統進行能效檢測，不光要檢測系統輸入邊界的電量，還要檢測系統輸出邊界乃至各個環節產生的溫度、壓力、流量等非電量，對此進行綜合判斷分析，在此基礎上對系統進行綜合節能運行智能化控制和最低折合排碳量能源調度，使局域范圍內的節能減排效果達到最佳、折算排碳量最低。因此，有必要對企業用電系統的各種電量及非電量參數進行綜合的測量記錄，用以監測企業的能效情況。

1 泵，風機，空壓機的能量測試方法

以二次方律負載(泵、空壓機等)電機系統為例，對電機系統的能量進行測試，其邊界范圍內能量流程圖如圖1所示。

在圖1中，對于不同的部分有不同的能量測量方法。環節1，2需要測量電功率，包括電壓、電流、功率因數等;環節3，4則需要知道轉軸的軸功率，具體體現為轉矩和轉速。環節5為用電設備的有效功率，對其測量介紹如下。

圖1 風機、水泵等電機系統邊界范圍內能量流程圖

對于水泵系統，有

式中:PYB——泵有效功率;

ρ——液體密度;

g——重力加速度;

Q ——流量;

H——泵的揚程。

式中:p1、p2——泵入口、出口測量的壓力值;

Z1、Z2——測量點的高度;

V1、V2——測量點流速，可通過流量除以橫截面積得到。

綜合式(1)、式(2)，要獲取水泵的有效功率，需要實時測量的值有壓力和流量。

對于通風機系統，有

式中:Q——流量;

Kp——氣體隔熱系數有關;

p——通風機的全壓。

式中:p1p、p2p——進風口、出風口的靜壓;

Δp1、Δp2——進風口、出風口到管測量點的管路損失;

ρ1p、ρ2p——進風口、出風口的氣體密度，和溫度有關;

V1p、V2p——氣體流速，通過流量除以橫截面積得到。

綜合式(3)、式(4)，要獲取通風機的有效功率，需要實時測量的值有壓力，流量和溫度。

環節6的測量方法和環節5一樣。

其他電機系統如皮帶機系統、提升機系統等，系統輸出邊界的測量值包括重力和線速度，而線速度又通過轉速和半徑計算得到。

只有同時考察系統輸入邊界的電功率和輸出邊界的負載功率，才能做出相應的科學診斷和改造，有效避免大馬拉小車的情況，達到能源的最優配置。

2 檢測裝置的模塊設計

由以上分析可知，在電機系統中，需要測試包括電功率、流量、壓力、溫度等電量和非電量參數。

本文提出了一種以大容量芯片STM32為核心的電量、非電量檢測裝置設計方案。STM32具有功耗低，集成功能多，執行速度快，價格低廉等諸多優勢，其芯片內部自帶的AD轉換通道可直接對模擬量信號進行采集，內置的SPI口可與外圍的芯片進行通信，USART串口可方便的向外發送數據。該芯片的集成設計大大簡化了電路板的硬件設計，可靈活應用于各種場合。STM32F107更是集成了以太網外設，可將芯片采集和計算的數據接入企業內部的局域網或者廣域網，為以該芯片為核心的測量裝置的大規模推廣應用奠定了基礎。測量裝置模塊設計圖如圖2所示。

3 數據讀取模塊設計

需要讀取的數據量有電量與溫度、壓力等非電量，包括時間信號等。

圖2 測量裝置模塊設計圖

電量計量芯片采用ATT7022B進行測量，PT采用100 V和400 V兩種規格，CT采用5 A，將電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數等參數接入SPI總線傳輸給STM32。

溫度信號目前流行的有兩個測量方法:PT鉑電阻和熱電偶，PT鉑電阻在低溫情況下精度較高，而熱電偶適合溫度較高的場合。根據其特點，本文對兩種溫度測量方式都進行了電路設計，采用接口相同的模塊化設計方式，熱電偶調理模塊與熱電阻調理模塊在工程應用中可實時選用，增強系統的靈活性。PT100電阻用于－30°～300°范圍測量，適用于測量具有零下溫度的空調控制系統和一些化工領域中;熱電偶選用J型熱電偶，用于0～500°范圍測量，由于其測量溫度范圍較大，需加入冷端補償電路以保持精度。采集數據用ADS7812進行A/D轉換后經光耦隔離接入SPI總線。

流量、壓力檢測等都屬于比較成熟的技術，直接采用現成的變送器即可。將4～20 mA信號轉變為電壓信號后傳輸到STM32芯片的AD外設讀取數據。

因為是對企業進行長期的能效檢測，因此需要知道所采集數據的時間信息。時鐘芯片采用DS1307，備有電池防止掉電丟失時間信息。

4 數據傳輸模塊設計

針對不同的現場工況，本裝置預留了SD卡，串口通信，以太網三種通信方式。

獲取測量數據之后，有一個數據存儲或者發送的過程。對于生產線分布分散、離控制設備較遠、實時通信不便的場合，采用SD卡進行數據存儲。SD卡工作在SPI模式，利用 STM32自帶的SPI接口，最大通信速率可達18 kbps，可以滿足系統的設計要求。

串口主要用于裝置間通信，對于測量裝置不多、數據量簡單的場合，可以滿足通信的要求。采用MAX485芯片提高數據的抗干擾能力，可加接串口轉無線通信模塊擴展為無線通信端口。

對于生產設備眾多的大型場合，如果每個電機系統都采用該裝置進行測量，現場通信網絡會十分復雜，數據量也將十分龐大，傳統的485通信方式無論是從傳輸距離和傳輸速率都將無法滿足要求，因此有必要引入以太網技術，將采集到的數據通過以太網進行傳輸。本裝置將STM32F107的ETH端口連接到DP83848 10/100 Mb/s以太網物理層控制器，控制器采用MII模式，外接25 MHz晶振。采用TCP/IP協議與上位機進行數據傳輸。

5 結語

本設備是節能減排產業化項目的子項目之一，設計的非電量檢測設備能對電機系統的非電量參數(溫度、壓力、流量、轉矩等)進行綜合實時測試，了解電機系統的能效，目標是研發集采集、傳輸、綜合分析能量的，協調控制減少碳排量一體的設備，該設備主要是為電機系統群節能綜合控制系統配套使用，是全新的專用檢測設備。

現在很多項目包括合同能源管理，電能平衡計量，節能量計算等都需要對電量、非電量進行長時間的測量，本研究成果可廣泛應用于相關綜合節能減排工程項目，是綜合節能系統的信息輸入窗口，也可為電平衡測試、節能量審計提供長期在線檢測設備，隨著國家對節能減排的愈加重視以及各企業能效監控體系的建立完善，該裝置將有著廣闊的應用前景。

［1］王永虹，徐煒，赫立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［2］任艷，于海勛，張磊.基于STM32的嵌入式溫度及應力測量系統的設計［J］.硬件縱橫，2010:17-21.