一种基于STM32的电量及非电量检测装置的研制

王 捷， 凌百舟， 何瑶瑶

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

节能的意义不仅在于减小用电量，还要注意用电产生的效果。电机系统包含电机本体、电力传动装置、机械传动装置、系统终端和管网等环节，各环节的能量损失之和构成了电机系统的总能量损失。电机系统的能效主要考察系统输入边界到系统输出边界的能量情况。对用电系统进行能效检测，不光要检测系统输入边界的电量，还要检测系统输出边界乃至各个环节产生的温度、压力、流量等非电量，对此进行综合判断分析，在此基础上对系统进行综合节能运行智能化控制和最低折合排碳量能源调度，使局域范围内的节能减排效果达到最佳、折算排碳量最低。因此，有必要对企业用电系统的各种电量及非电量参数进行综合的测量记录，用以监测企业的能效情况。

1 泵，风机，空压机的能量测试方法

以二次方律负载(泵、空压机等)电机系统为例，对电机系统的能量进行测试，其边界范围内能量流程图如图1所示。

在图1中，对于不同的部分有不同的能量测量方法。环节1，2需要测量电功率，包括电压、电流、功率因数等;环节3，4则需要知道转轴的轴功率，具体体现为转矩和转速。环节5为用电设备的有效功率，对其测量介绍如下。

图1 风机、水泵等电机系统边界范围内能量流程图

对于水泵系统，有

式中:PYB——泵有效功率;

ρ——液体密度;

g——重力加速度;

Q ——流量;

H——泵的扬程。

式中:p1、p2——泵入口、出口测量的压力值;

Z1、Z2——测量点的高度;

V1、V2——测量点流速，可通过流量除以横截面积得到。

综合式(1)、式(2)，要获取水泵的有效功率，需要实时测量的值有压力和流量。

对于通风机系统，有

式中:Q——流量;

Kp——气体隔热系数有关;

p——通风机的全压。

式中:p1p、p2p——进风口、出风口的静压;

Δp1、Δp2——进风口、出风口到管测量点的管路损失;

ρ1p、ρ2p——进风口、出风口的气体密度，和温度有关;

V1p、V2p——气体流速，通过流量除以横截面积得到。

综合式(3)、式(4)，要获取通风机的有效功率，需要实时测量的值有压力，流量和温度。

环节6的测量方法和环节5一样。

其他电机系统如皮带机系统、提升机系统等，系统输出边界的测量值包括重力和线速度，而线速度又通过转速和半径计算得到。

只有同时考察系统输入边界的电功率和输出边界的负载功率，才能做出相应的科学诊断和改造，有效避免大马拉小车的情况，达到能源的最优配置。

2 检测装置的模块设计

由以上分析可知，在电机系统中，需要测试包括电功率、流量、压力、温度等电量和非电量参数。

本文提出了一种以大容量芯片STM32为核心的电量、非电量检测装置设计方案。STM32具有功耗低，集成功能多，执行速度快，价格低廉等诸多优势，其芯片内部自带的AD转换通道可直接对模拟量信号进行采集，内置的SPI口可与外围的芯片进行通信，USART串口可方便的向外发送数据。该芯片的集成设计大大简化了电路板的硬件设计，可灵活应用于各种场合。STM32F107更是集成了以太网外设，可将芯片采集和计算的数据接入企业内部的局域网或者广域网，为以该芯片为核心的测量装置的大规模推广应用奠定了基础。测量装置模块设计图如图2所示。

3 数据读取模块设计

需要读取的数据量有电量与温度、压力等非电量，包括时间信号等。

图2 测量装置模块设计图

电量计量芯片采用ATT7022B进行测量，PT采用100 V和400 V两种规格，CT采用5 A，将电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数等参数接入SPI总线传输给STM32。

温度信号目前流行的有两个测量方法:PT铂电阻和热电偶，PT铂电阻在低温情况下精度较高，而热电偶适合温度较高的场合。根据其特点，本文对两种温度测量方式都进行了电路设计，采用接口相同的模块化设计方式，热电偶调理模块与热电阻调理模块在工程应用中可实时选用，增强系统的灵活性。PT100电阻用于－30°～300°范围测量，适用于测量具有零下温度的空调控制系统和一些化工领域中;热电偶选用J型热电偶，用于0～500°范围测量，由于其测量温度范围较大，需加入冷端补偿电路以保持精度。采集数据用ADS7812进行A/D转换后经光耦隔离接入SPI总线。

流量、压力检测等都属于比较成熟的技术，直接采用现成的变送器即可。将4～20 mA信号转变为电压信号后传输到STM32芯片的AD外设读取数据。

因为是对企业进行长期的能效检测，因此需要知道所采集数据的时间信息。时钟芯片采用DS1307，备有电池防止掉电丢失时间信息。

4 数据传输模块设计

针对不同的现场工况，本装置预留了SD卡，串口通信，以太网三种通信方式。

获取测量数据之后，有一个数据存储或者发送的过程。对于生产线分布分散、离控制设备较远、实时通信不便的场合，采用SD卡进行数据存储。SD卡工作在SPI模式，利用 STM32自带的SPI接口，最大通信速率可达18 kbps，可以满足系统的设计要求。

串口主要用于装置间通信，对于测量装置不多、数据量简单的场合，可以满足通信的要求。采用MAX485芯片提高数据的抗干扰能力，可加接串口转无线通信模块扩展为无线通信端口。

对于生产设备众多的大型场合，如果每个电机系统都采用该装置进行测量，现场通信网络会十分复杂，数据量也将十分庞大，传统的485通信方式无论是从传输距离和传输速率都将无法满足要求，因此有必要引入以太网技术，将采集到的数据通过以太网进行传输。本装置将STM32F107的ETH端口连接到DP83848 10/100 Mb/s以太网物理层控制器，控制器采用MII模式，外接25 MHz晶振。采用TCP/IP协议与上位机进行数据传输。

5 结语

本设备是节能减排产业化项目的子项目之一，设计的非电量检测设备能对电机系统的非电量参数(温度、压力、流量、转矩等)进行综合实时测试，了解电机系统的能效，目标是研发集采集、传输、综合分析能量的，协调控制减少碳排量一体的设备，该设备主要是为电机系统群节能综合控制系统配套使用，是全新的专用检测设备。

现在很多项目包括合同能源管理，电能平衡计量，节能量计算等都需要对电量、非电量进行长时间的测量，本研究成果可广泛应用于相关综合节能减排工程项目，是综合节能系统的信息输入窗口，也可为电平衡测试、节能量审计提供长期在线检测设备，随着国家对节能减排的愈加重视以及各企业能效监控体系的建立完善，该装置将有着广阔的应用前景。

［1］王永虹，徐炜，赫立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［2］任艳，于海勋，张磊.基于STM32的嵌入式温度及应力测量系统的设计［J］.硬件纵横，2010:17-21.