摘要
随着电子技术突飞猛进的发展，大量的用电设备被发明。但由于电量的使用超负荷，电网中会产生各种谐波干扰，影响电能参数的测量精度。因此，高精度的电能现场校验仪越来越备受关注。基于此设计了基于STM32的多功能电能现场校验仪，该校验仪由硬件系统和软件系统两个部分构成。 硬件系统由互感器信号调理电路、锁相环倍频电路、模数转换电路、数据存储模块、数据通讯接口电路、显示模块、报警模块、继电器驱动电路、系统电源电路和时钟电路组成。互感器信号调理电路由ZRH-V11电压互感器、CT-01电流互感器和RC二阶滤波器组成，可以过滤信号的杂波，消除高频噪声的影响；锁相环倍频电路由74HCT4046和LM358主要芯片构成，可以实时跟踪变化中的频率，实现频率的测量；模数转换电路中选取了AD7768作为采样芯片，将电信号由模拟信号转换为数字信号进行数据的传递；数据存储模块由W25Q256芯片构成，可以保存电参数数据；数据通信使用了RS232接口电路，将MAX3232CSE作为本装置的收发器，实现上位机与电路板的通信；数据显示模块通过TFTLCD电容触摸屏实时显示电压、电流、频率和功率；继电器驱动电路通过ULN2003芯片，调节校验仪的测量量程；系统电源电路根据电路的需要，提供了两种驱动电压，分别为3.3V和5V；时钟电路产生时钟驱动核心芯片STM32F429IGT6，保证了单片机程序的执行。 软件系统主要包括下位机软件设计和上位机软件设计，下位机软件设计主要研究了基于快速傅里叶变换的谐波检测算法。由于快速傅里叶变换算法在检测谐波时会出现了频谱泄露和栅栏效应的问题，本文提出在快速傅里叶变换的基础上加入四项五阶Nuttall窗六谱线插值算法，并使用MATLAB软件仿真与海明窗、布莱克曼窗、四项1阶Nuttall窗和四项3阶Nuttall窗作对比。仿真结果显示基于快速傅里叶变换的四项五阶Nuttall窗改进六谱线插值算法误差最小,相对误差在10-4以下。当采集的信号被AD7768转换成数字信号后，数字信号在STM32F429IGT6的μC/OS-III实时操作系统中被新算法处理，通过移植STemWin设计下位机界面显示电压、电流和频率。在LabVIEW平台上设计上位机界面，与下位机建立通信后，能够实时显示电压和电流等数据。 最后，使用DRN－CXII三相标准测试源模拟输入信号，对本文设计的电能现场校验仪的硬件和软件进行系统调试。将本次设计的电能现场校验仪测量的电压和电流信号，与DRN－CXII三相标准测试源输入信号比较，得出电压和电流的相对误差低于0.1%。本文设计的现场校验仪精度可以达到0.1级。
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