基于stm32的一体化智能开关的设计-朱瑞昌.docx

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1、单位代码： 10359 学 号： 2014110414 密级： 公开 分类号： TP273 Hefei University of Technology 硕士学位论文 MASTERS DISSERTATION 论文题目： 基于 STM32的一体化智能开关的设计 学位类别： _ 学历硕士 _ 专业名称： 控制理论与控制工程 _ 作者姓名： _ 朱瑞昌 _ 导师姓名： _ 林勇 副研究员 _ 完成时间： _ 2017年 4月 _ 万方数据 合 x 涵 IJII 学历硕士学位论文 基于 STM32的一体化智能幵关的设计 作者姓名： _ 失瑞昌 指导教师： 林 勇 副 研 究 员 专业名称： 控制理论

2、与控制工程 研究方向： 嵌入式系统及其应用 2017年 4月 万方数据 A Dissertation Submitted for the Degree of Master Design of Integrated Intelligent Switch Based on STM32 By Du Dianwu Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China April， 2017 万方数据 合 肥 工 业 大 学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工 业大学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名 ）

3、主席 “ 儀 存 取 t腐餐 导 师 ： 诉 ， 、 备 ； 万方数据 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研宄工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体，本 人己在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 “ 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学位论文作者签名： 签名日期： 7 月 日 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定， 即：

4、除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 指导教师签名： 学位论文版 权使用授权书 论文作者毕业去向 : 工作单位： 联系电话 : 通讯地址 : 邮政编码 : 万方数据 致谢 时光如箭，日月如梭，三年研宄生的学习生活即将到达终点，三年的时光， 变化很多，就我自己而言，不仅在学业上学到了有用的技能，生活上也收获了良 师益友。从复试那天进入校园的第一天，到

5、毕业论文完成的最后一天，期间遇到 了许许多多的困难与阻碍，是导师的指导，实验室师兄弟们的包容，同学的鼓励， 和家人的呵护，才让我克服这些困难，解决棘手的难题，衷心地感谢你们！ 首先我要感谢我的导师林老师对我的关心，还要感谢温阳东教授对我的指导， 在大论文的完成过程中悉心指导，不仅如此，在生活上给予我细心的关怀，教我 学会很多学习之外做人的哲学，这会使我日后在工作中能够很好地融入团体，更 加促进朋友之间的交流。此次论文能够按时完成，也和两位老师的尽职尽责分不 开，提出了很多不足和宝贵的意见，在此向两位老师表示衷心地感谢！ 我还要感谢实验室的兄弟姐妹们：许奔腾、朱闯、岳勇、朱建秋、孙晓丹、 刘谦益

6、、汪昕、宋一凡、王旭。我的论文能够顺利完成离不开他们的指导与帮助， 我遇到专业问题时你们 总是第一时间给我分析，解决难题，在和你们的探讨过程 中不断深化理解，参透问题的本质。 最后，我还要感谢我的家人，感谢他们给我默默地支持和理解，也是我前进 的动力。 作者：朱瑞昌 2017年 3月 16日 万方数据 摘要 电力开关设备是电网体系中必不可少的一环，对其运行状态的监控至关重要。 传统电力开关结构复杂，分合闸保护以及维护都非常困难。除此之外，早期电力 设备开关只有断路器的功能，并没有计量电能数据的自动抄表功能和故障定位等 功能。其地位逐渐被集成了计算机技术、通信技术、传感器技术于一体的智能开 关所

7、取代。 全文围绕着对电力设备的运行状态的监测展开，设计了以 STM32F103为主控 芯片的一体化智能开关。文章首先阐述了电网发展背景和一体化开关的研宄现状， 其次针对传统电力开关和抄表系统的弊端做了阐述，主要是抄表效率低，安全性 能不好等。围绕 STM32F103单片机的结构基础上，搭载了电能计量芯片 ATT7022E 和无线通信模块 SIM900A，加强一体化智能开关的安全性和监控性。为了系统能 够稳定运行，最后对整个系统软硬件进行调试 ，分别是过电流电路调试、 JTAG下 载电路调试、串口调试、网络通信调试和上位机界面显示。本设计终端为每个开 关设备终端设置 IP地址，编入局域网，方便远

8、程通信，可实现电力数据自动采集 功能。此外，其次每台终端设备上都可以进行故障自检测，如果电力设备发生故 障，分合闸电路第一时间将故障隔离。 GPRS通信模块能够远程实时监控电力设备 的运行状态，根据定位功能，工作人员可及时前往处理异常情况，极大地节约了 人力，而且工作效率极高。 本设计克服了传统电力开关实时性不好、故障定位难、电力数据采集困难等 技术难点，提高了 故障解决效率，改善了电力设备的安全性，加强设备终端与上 位机之间的人机交互能力。 关键词 ：智能电网；一体化开关；电能计量；继电保护；通信系统 万方数据 II ABSTRACT Power switch equipment is an

9、 essential part of the grid system, the operation of its monitoring is essential. Traditional power switch structure is complex, sub-closing protection and maintenance are very difficult. In addition, the early power equipment switch only circuit breaker function， and no measurement of energy data a

10、utomatically meter reading function and fault location and other functions. Its position has gradually been integrated computer technology, communication technology, sensor technology in one of the intelligent switch replaced. The full text revolves around the monitoring of the operation of the powe

11、r equipment, designed to STM32F103 as the master chip integrated intelligent switch. The article first elaborated the development background of the grid and the integration of the research status quo, followed by the traditional power switch and meter reading system to explain the drawbacks, Mainly

12、meter reading efficiency is low, poor safety and so on. For the system to be stable operation, and finally the entire system hardware and software debugging, respectively, over-current circuit debugging, JTAG download circuit debugging, serial debugging, network communication debugging and host comp

13、uter interface display. The design terminal for each switch device terminal set IP address, into the LAN, to facilitate remote communication, power data can be automatically collected. In addition, followed by each terminal equipment can be fault self-test, if the power equipment failure, sub-closin

14、g circuit will be the first time the fault isolation, GPRS communication module can remotely monitor the ranning status of power equipment, according to the positioning function, the staff can go to deal with abnormal circumstances, greatly saving manpower, and high efficiency. This design overcomes

15、 the technical difficulties of the traditional power switch in real time, fault location is difficult, the difficulty of power data acquisition and so on, improve the efficiency of the fault resolution, improve the safety of the power equipment, and strengthen the man-machine interaction between the

16、 equipment terminal and the host computer ability. KEY WORDS: Smart Grid; Integrated switch; Energy metering; Relay protection; Communication Systems 万方数据 III 第一章绪论 . 1 1.1研究背景 . 1 1.2研究目的与意义 . 1 1.3智能控制开关设备的发展历程 . 2 1.4 一体化智能开关功能介绍 . 3 1.5本文研宄内容及章节安排 . 3 第二章一体化开关整体系统硬件设计 . 5 2.1总体方案设计 . 5 2.2微机继电保护

17、装置介绍 . 6 2.3微机保护硬件设计 . 7 2.3.1模拟量采集模块 . 8 2.3.2滤波电路 . 8 2.3.3多路模拟开关 . 9 2.3.4 A/D模数转换模 块 . 9 2.3.5开关量输入模块 . 11 2.3.6开关量输出模块 . 12 2.3.7防跳回路设计 . 13 2.3.8变压器的过电流保护 . 14 2.4电能计量模块 . 14 2A1电能计量芯片 ATT7022E . 14 2.4.2三相电压转换电路 . 15 2.4.3三相电流采样电路 . 16 2.4.4采样数据缓冲 . 17 2A5 ATT7022E与主控芯片之间的通信 . 18 2.5电源模块 . 18

18、 2.6温度传感器 . 20 2.7 GPRS 模块 . 22 2.7.1 SIM900A 芯片介绍 . 22 2.7.3电源电路 . 24 2.7_4通信接口转换电路 . 24 2.8微处理器模块 . 25 2.8.1单片机介绍 . 25 万方数据 IV 2.8.2最小系统设计 . 25 2.8.3存储电路设计 . 26 2.8.4看门狗电路 . 28 2.9上位机界面设计 . 29 2.10本章小结 . 29 第三章一体化开关软件设计 . 30 3.1软件系统总体设计 . 30 3.2 体化开关主程序设计 . 31 4.3过电流保护软件设计 . 31 3.4通信模块软件设计 . 32 3.

19、4.1连接建立 . 33 3.4.2数据传输 . 34 3.4.3连接终止 . 34 3.5电能计量模块设计 . 36 3.5.1 ATT7022E读写数据操作 . 37 3.5.2 ATT7022E 初始化 . 38 3.5.3 ATT7022E 校准 . 38 3.6本章小结 . 39 第四章系统测试分析 . 40 4.1整体测试工具介绍 . 40 4.2电源测试 . 40 4.3 JTAG下载电路 . 40 4.4串口测试 . 41 4.5网络通信测试 . 42 4.6上位机显示界面 . 43 第五章总结与展望 . 45 5.1全文总结 . 45 5.2工作展望 . 46 参考文献 . 47 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 . .50 隨 1 . 51 刚牛 2 . 55 万方数据 V