代码收藏家技术教程 2025-02-16

基于STM32的智电表系统课题设计思路：python友好界面、ADC、UART串口、数据分析

1. 项目选题与需求分析

1.1 选题背景和动机

随着社会的快速发展，电力的消耗不断增加，如何高效管理和监测用电成为了一个重要的课题。传统的电表只能提供简单的用电计量，无法满足现代家庭和工业对用电数据实时监控、远程控制及数据分析的需求。因此，开发一款基于STM32单片机的智能电表系统，不仅可以提高用电管理的效率，还能帮助用户更好地了解和控制用电行为，降低电费支出。

1.2 目标用户和市场需求分析

目标用户主要包括家庭用户和小型企业用户。他们希望通过智能设备实时监测用电情况，获取用电数据，并对用电设备进行远程控制。市场上对智能家居和工业自动化的需求日益增加，为智能电表系统提供了广阔的应用前景。根据市场调研，用户对于电力监控系统的需求主要集中在以下几个方面：

实时监测电量和用电情况。

远程控制电源的开关。

通过数据分析优化用电行为。

友好的用户界面，便于操作和查看数据。

1.3 功能需求与非功能需求的定义

功能需求：

实时采集和显示电压、电流、功率和累计用电量。
通过OLED显示屏展示实时数据。
通过串口与Python程序进行数据传输，实现远程控制。
提供数据统计和趋势分析功能。
允许用户通过可视化界面控制电表开关。

非功能需求：

系统应具备良好的稳定性和可靠性。
硬件和软件的响应时间应在合理范围内。
用户界面应简单易用，便于操作。
系统应具备良好的扩展性，以便后续功能的增加。

2. 系统架构设计

2.1 系统整体架构图

软件部分

硬件部分

数据交互

Python可视化界面

电流传感器

STM32单片机

电压传感器

OLED显示屏

电源控制模块

2.2 硬件平台选择

本项目采用STM32F4系列单片机作为核心控制器，具有强大的处理能力和丰富的外设接口，适合嵌入式应用。同时，选择高精度电流和电压传感器（如ACS712和ZMPT101B）进行电量测量，OLED显示屏用于数据展示，电源控制模块用于控制负载的开关。

2.3 软件架构设计

软件部分主要基于STM32的HAL库进行开发，使用Keil或STM32CubeIDE作为开发环境。同时，Python程序使用Tkinter库或PyQt库实现可视化界面，处理数据的传输和显示。

3. 关键技术与实现

3.1 传感器与执行器的选择与使用

电流传感器：使用ACS712传感器进行电流测量，其输出为与输入电流成比例的电压信号。

电压传感器：使用ZMPT101B模块进行电压测量，输出信号同样为与输入电压成比例的电压信号。

OLED显示屏：使用0.96英寸的OLED屏幕，通过I2C接口与STM32进行连接，实时显示电量数据。

3.2 通信方式

本项目通过UART（串口）实现STM32与电脑端Python程序之间的数据交互。使用串口通信协议，STM32将实时采集的数据发送给Python程序，以便进行显示和控制。

3.3 数据处理与控制算法

在数据处理方面，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对电流和电压信号进行平滑处理，减少噪声影响。通过简单的线性回归算法分析用户的用电趋势，为用户提供用电建议。
用户界面采用Python的Tkinter库进行开发，界面设计友好，功能模块清晰。具体设计包括：

实时数据展示：界面上包括实时电压、电流、功率和累计用电量的显示区域，用户可以直观地查看当前的用电状态。

历史数据记录：提供历史用电数据的查询功能，用户可以选择日期范围查看过去的用电情况，帮助用户分析用电趋势。

控制面板：用户可以通过按钮控制电表的开关状态，实时更新电表状态，并在界面上反馈给用户。

数据导出功能：允许用户将用电数据导出为CSV文件，便于后续分析和记录保存。

4. 项目开发过程

4.1 硬件设计与原理图

在硬件设计中，我们选用了STM32F4系列单片机，电流传感器ACS712，电压传感器ZMPT101B，以及OLED显示屏（如SSD1306）。以下是整个系统的原理图示意：

STM32F4系列单片机

电流传感器 ACS712

电压传感器 ZMPT101B

OLED显示屏SSD1306

电源控制模块

ADC输入

I2C数据传输

电源开关

电流传感器（ACS712）：连接至STM32的ADC引脚，用于实时监测电流。

电压传感器（ZMPT101B）：同样连接至ADC引脚，用于实时监测电压。

OLED显示屏（SSD1306）：通过I2C接口连接STM32，用于显示实时数据。

电源控制模块：通过继电器或MOSFET控制设备的开关。

4.2 软件开发流程

软件开发主要分为STM32固件开发和Python可视化界面开发，以下是详细步骤和代码示例。

4.2.1 STM32固件开发

环境搭建：使用STM32CubeIDE进行开发，创建新项目并配置所需的外设（ADC、I2C、USART等）。

代码示例：

ADC配置和读取：

#include "stm32f4xx_hal.h"

ADC_HandleTypeDef hadc1;

// ADC初始化
void ADC_Init(void) {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); // 使能ADC1时钟
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE; // 单通道模式
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换模式
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; // 软件触发
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

// 读取ADC值
uint32_t Read_ADC(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC转换
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
}

I2C配置和OLED显示：

#include "ssd1306.h"

// OLED显示初始化
void OLED_Init(void) {
    ssd1306_Init(); // 初始化OLED
}

// 显示数据
void Display_Data(float voltage, float current) {
    ssd1306_SetCursor(0, 0);
    char buf[20];
    sprintf(buf, "Voltage: %.2fV", voltage);
    ssd1306_WriteString(buf, Font_7x10, White);
    sprintf(buf, "Current: %.2fA", current);
    ssd1306_SetCursor(0, 10);
    ssd1306_WriteString(buf, Font_7x10, White);
    ssd1306_UpdateScreen(); // 更新显示
}

UART配置：

UART_HandleTypeDef huart2;

// UART初始化
void UART_Init(void) {
    __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); // 使能USART2时钟
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 9600; // 波特率9600
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

4.2.2 Python可视化界面开发

在Python部分，我们将使用Tkinter库来创建一个图形用户界面 (GUI)，用于实时显示电表数据并控制开关。我们将通过串口与STM32进行通信。

环境准备

首先，确保已安装Python和必要的库。可以使用以下命令安装PySerial和Tkinter（Tkinter通常默认安装）：

pip install pyserial

代码示例

建立串口连接：

import serial
import time

# 配置串口
ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)  # 替换为实际的串口号
time.sleep(2)  # 等待串口初始化

创建Tkinter GUI：

import tkinter as tk

class SmartMeterApp:
    def __init__(self, master):
        self.master = master
        master.title("智能电表监控")

        self.label_voltage = tk.Label(master, text="电压: -- V")
        self.label_voltage.pack()

        self.label_current = tk.Label(master, text="电流: -- A")
        self.label_current.pack()

        self.btn_on = tk.Button(master, text="开启电源", command=self.turn_on)
        self.btn_on.pack()

        self.btn_off = tk.Button(master, text="关闭电源", command=self.turn_off)
        self.btn_off.pack()

        self.update_data()

    def update_data(self):
        # 从串口读取数据
        if ser.in_waiting > 0:
            line = ser.readline().decode('utf-8').rstrip()  # 读取一行数据
            voltage, current = self.parse_data(line)
            self.label_voltage.config(text=f"电压: {voltage:.2f} V")
            self.label_current.config(text=f"电流: {current:.2f} A")
        
        self.master.after(1000, self.update_data)  # 每秒更新一次

    def parse_data(self, data):
        # 解析数据格式 "Voltage: X.XX, Current: Y.YY"
        try:
            parts = data.split(',')
            voltage = float(parts[0].split(':')[1].strip())
            current = float(parts[1].split(':')[1].strip())
            return voltage, current
        except:
            return 0.0, 0.0  # 如果解析失败，返回0

    def turn_on(self):
        ser.write(b'ON\r\n')  # 发送开启命令

    def turn_off(self):
        ser.write(b'OFF\r\n')  # 发送关闭命令

if __name__ == "__main__":
    root = tk.Tk()
    app = SmartMeterApp(root)
    root.mainloop()

4.2.3 主循环与数据处理

在STM32的主循环中，我们需要定期读取电流和电压数据，更新OLED显示，并通过UART发送数据。

int main(void) {
    HAL_Init(); // 初始化HAL库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    ADC_Init(); // 初始化ADC
    UART_Init(); // 初始化UART
    OLED_Init(); // 初始化OLED

    while (1) {
        // 读取电流和电压
        uint32_t adc_value_current = Read_ADC(); // 假定此函数已读取电流
        uint32_t adc_value_voltage = Read_ADC(); // 假定此函数已读取电压
        
        // 将ADC值转换为实际电流和电压
        float current = (adc_value_current / 4095.0) * 10.0; // 假设量程为10A
        float voltage = (adc_value_voltage / 4095.0) * 220.0; // 假设量程为220V
        
        // 显示数据
        Display_Data(voltage, current);
        
        // 发送数据到PC
        Send_Data(voltage, current);
        
        HAL_Delay(1000); // 延迟1秒
    }
}