基于物联网技术的智能直流电压测试仪设计

基于物联网技术的智能直流电压测试仪设计

林必忠  陈良 唐美玲

杭州万向职业技术学院   杭州  310000

摘要  简要介绍了基于物联网技术的智能直流电压测试仪的设计。本设计以阿里云生活物联网平台为核心，对硬件电路设计，手机端程序设计分别进行了介绍。智能直流电压测试仪可以通过阿里云平台进行数据转换，将数据在手机APP上进行显示。智能直流电压测试仪采用STM32F103C8T6单片机为控制核心,将被测电压经过经过分压进行取样，转换成电压信号,通过24位AD转换芯片TM7707转换为数字量,经单片机运算和处理,结果送LED显示器进行显示。同时在手机端具有电压、单次和连续采集功能同屏显示。

关键字  阿里云；物联网；直流电压测试仪器；电压；显示

1 研究背景

直流电压测试仪在电工实验中是不可或缺的仪表，传统的直流电压测试仪在制作上采用的控制板和显示板分开，通过排线进行连接，在生产的运输、搬运、移动等的过程中，经常会发生因为排线接触不好，导致不能正常工作。我们在传统的基础上，去掉了排线连接，做成控制板和显示板一体式设计，减少了上述情况下出现接触不良的情况。

传统的直流电压测试仪大多都是采用电压采样信号经过AD转换和8位单片机处理器设计而成。我们在传统的基础上进行了改进，将8位单片机改成32位的单片机，运行速度更快，方便进行云平台数据传输。

传统的直流电压测试仪的数据只能在实验室进行查看，对于开放的实验室，如果指导老师不在实验室，很难监控到学生的实验数据。我们在传统直流电压测试仪的基础上加入了阿里云平台的远程远程监控功能，指导老师只要在有网络覆盖的地方，就可以远程监控学生的实验数据，如果实验没有网络，我们在设计上还增加了本地功能。

2 系统设计

远程智能直流电压测试仪包含硬件电路设计，手机端程序设计。

2.1硬件电路设计

硬件设计部分包含控制板供电电源设计；电信号处理电路设计（直流电压）；显示设计；控制板和阿里云生活物联网平台的通信等的电路设计。

2.1.1控制板供电电源设计

远程智能直流电压测试仪供电采用的是AC220V转8.5V变压器供电，而控制板上面的处理器采用的是+3.3V供电，所以要将AC8.5V电源转换成DC3.3V电源。电源处理办法就是采用AC8.5V经过整流、滤波、稳压，稳压采用AMS1117-3.3稳压块。

2.1.2电信号处理电路设计

采用高精度的AD转换芯片，即TM7707利用 Σ-Δ 转换技术实现了 24 位无丢失代码性能,选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。

TM7707是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差

  信号处理电路采用1M和510Ω电阻分压。

2.1.3显示电路的设计

采用两线串行接口的CH423专用显示处理芯片，此芯片提供了 8 个双向输入输出引脚和 16 个通用输出引脚，支持输入电平变化中断；CH423 内置电压驱动电路，可以静态驱动 24 只 LED 发光管或者动态驱动 128 只 LED（相当于 16 只数码管）；CH423 通过 2 线串行接口与单片机等交换数据。

2.1.4控制板与阿里云生活物联网平台通信电路的设计

要想使控制板与阿里云生活物联网平台连接，有两种方式：一种是以太网有线连接，另外一种是Wifi无线连接。以太网有线连接的电路比较复杂，这里不采用。我们采用的是Wifi无线连接，采用的是Esp8266模块，ESP8266是一款高性能的WIFI串口模块，内部集成MCU能实现单片机之间串口通信，是目前使用最广泛的一种WIFI模块之一。可以简单理解为一个WIFI转串口的设备，不用知道太多WIFI相关知识，只需要知道串口怎么使用就可以。

2.1.5控制板CPU电路的设计

控制板上CPU要处理电压信号转换及阿里云生活物联网平台等功能，所以在选择处理器的时候，选择一款功能强大的CPU，对比了各个厂家的CPU，综合比较，最终选择意法半导体厂家的STM32F103C8T6。它是基于Cortex-M3内核的32位微控制器，硬件采用LQFP48封装。Flash：64K x 8bit；SRAM：              20K x 8bit；Timers：   4个16bit定时器/计数器，分别为TIM1、TIM2、TIM3、TIM4、TM1带死区插入。

2.2手机端程序设计

使用阿里云生活物联网平台的任何产品，都需要实名认证，可以用支付宝账号关联登录或是手机号注册，然后再实名。下面介绍一下手机端程序设计的过程：

2.2.1用户注册或者登录

在电脑网页端输入https://living.aliyun.com/，用手机支付宝扫码或者账号登录，没有账号的，重新注册一个账号。

2.2.2创建新项目和新产品

注册新用户后，是普通开发者权限，具有：可创建项目，将IoT设备接入平台，项目创建个数上限为3个；单个项目中，产品创建个数上限为10个。

点击创建的项目进去，然后点击创建新产品。可以看到有功能定义、人机交互、设备调试、批量量产四个步骤就可以完成手机端程序设计。

2.2.3功能定义

在功能定义目录下，定义系统要用到的名称、标识符、数据类型、数据定义等。

2.2.4人机交互

在人机交互栏下，可以设计手机端操作的界面。                

2.2.5设备调试

在设备调试栏下，可以找到在线的产品，点击进去，就可以找到运行状态。

2.2.6批量投产

前几步开发完成后，进行最后一步，批量投产，在产品发布中有个小的方框，打✔后点击产品发布。

3 创新点

创新点一：采用免费的阿里云生活物联网平台，不需要缴纳云平台费用，就可以长期使用下去，手机端的软件还可以进行共享。

创新点二：只要实验室有Wifi,实验老师在有网络覆盖的地方，就可以远程监控学生的实验数据。

创新点三：远程智能直流电压测试仪进行工业柜装设计，可以防止显示板和信号处理板接触不良；系统稳定性得到大大提供，安装也很方便。

创新点四：远程智能直流电压测试仪还具有本地功能，即实验室没有Wifi的时候，将远程智能直流电压测试仪的跳帽（校准2）短接上，不需要网络也可以使用。

4 应用前景

目前各高校实验室里面的直流电压测试仪数量较多，都是没有实现连接云平台的，教师

如果要监控学生的实验数据，只能在实验室才可以做到，如果更改我们设计的这款直流电压测试仪，就可以实现远程监控。

阿里云生活物联网平台，不需要缴纳云平台费用，就可以长期使用下去，最重要的是设备可以通过云平台进行监控。

远程智能直流电压测试仪还可以用于工厂设备用电的检测，公司主管人员不用亲临现场就可以远程监控设备用电的情况。

参考文献

[1] 屈微，王志良. STM32单片机应用基础与项目实践. 清华大学出版社.2019-06-01.

[2]  STM32F10x系列固件库使用手册（中文）

[3]  TM7707用户手册

[4]  CH423用户手册

[5]  STM32F103x8B_DS_CH_V10（stm32芯片手册）