摘要：随着电力行业的发展，市场需求的不仅是一种能测量通用电力参数，如电压、电流、频率、功率和电能等常用参数的仪表，在用电安全变得尤为重要的今天，市场需求的是一种集可编程测量、参数显示、数字通信、开关量监测与控制、模拟量监测与变送等功能于一体的多功能电力仪表，这样的仪表能够取代指示仪表、电能计量表、谐波测量仪表以及相关的辅助单元。

本文以意法半导体的STM32F401RCT6系列单片机为控制芯片，以软件同步交流采样为基础，介绍了一种基于FFT算法的多功能电力仪表的设计方案。论文首先分析了软件同步交流采样的基本原理、频率测量算法、软件同步采样的谐波分析和电力参数的计算方法，然后从硬件和软件两方面详细介绍了方案的设计要点，其中重点讨论了提高测量准确度和稳定性的方法，最后介绍了方案的制作和调试过程，并对调试过程中遇到的问题进行分析和改进。实践表明本设计具有很高的测量准确度和实时性、功能齐全、方案扩展性好，具有广阔的应用前景和实用价值。

关键词:电力仪表；单片机；交流采样；谐波；FFT

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论-6

1.1 选题的背景和意义-6

1.2 国内外研究现状-6

1.3 课题研究的主要内容-6

1.4 本章小结-7

第二章 信号采样及处理的基本原理-8

2.1 信号模拟前端处理-8

2.2 软件同步交流采样的原理分析-8

2.2.1 软件同步交流采样的基本原理-8

2.2.2  软件同步交流采样的算法分析-9

2.3 频率测量算法分析-9

2.4 电参数的计算-11

2.4.1  软件同步采样的谐波分析-11

2.4.2 有效值及功率计算-11

2.4.3 二次参数的测量-12

2.5 比差和角差补偿-13

2.6 本章小结-14

第三章 硬件设计-15

3.1 开关电源电路-15

3.2 基准电压电路-16

3.3 信号输入及调理电路-16

3.4 单片机及其外围电路-17

3.5 按键及显示驱动电路-18

3.6 RS485通讯模块-19

3.7 电能脉冲输出模块-20

3.8 本章小结-20

第四章 软件设计-21

4.1 系统资源配置-21

4.2 软件基本任务-21

4.3 主要流程介绍-22

4.3.1 主流程-22

4.3.2 TIM2中断处理-23

4.3.3 ADC的DMA中断处理-24

4.3.4 计量前端校准-24

4.3.5 参数计算-25

4.3.6 频率计算-27

4.4 本章小结-28

第五章 系统仿真及调试-29

5.1 系统仿真-29

5.2 硬件电路的布线与焊接-30

5.2.1 总体特点-30

5.2.2 电路划分-31

5.2.3 焊接-31

5.3 调试-31

5.4本章小结-34

第六章 结论-35

6.1 本课题所做的工作总结-35

6.2 课题展望-35

6.3 本章小结-36

参考文献-37

致  谢-39