基于STM32单片机智能电表无线WIFI插座APP交流电压电流检测设计

本文介绍了一款基于STM32单片机的智能电表插座系统设计。系统通过电压互感器TV1005M和电流互感器TA1005M实现交流电压电流检测，采用ESP8266 WiFi模块实现无线通信，支持手机APP远程监控和控制。具有200W过载保护功能，当功率超标时自动切断供电。系统采用定长通信协议(V/A/P/Q/T/R格式)进行数据传输，IP为10.10.10.11，端口8080。硬件设计包括STM32最小

点灯小铭

1200人浏览 · 2025-08-19 14:32:25

点灯小铭 · 2025-08-19 14:32:25 发布

1 系统功能介绍

本设计基于 STM32 单片机，实现了一款具备 交流电压电流检测、无线 WiFi 通信、手机 APP 控制以及过载保护功能的智能电表插座系统。它不仅可以实时监测电压、电流、功率及电量，还能通过 WiFi 与手机 APP 联动，实现远程查看与控制，最终实现家庭用电的智能化与安全化。

系统功能包括：

交流电压检测：通过电压互感器 TV1005M 实现交流电压采样。
交流电流检测：通过电流互感器 TA1005M 实现电流检测。
实时数据显示：手机 APP 与 WiFi 模块连接后，可以实时显示电压、电流、瞬时功率以及累计电量等数据。
过载保护：当瞬时功率超过 200W 时，系统会自动关闭继电器，切断供电；当功率低于 200W 时，可通过手机手动控制继电器开关。
计时功能：手机 APP 可以显示设备运行时间，用户可实时掌握用电时长。
继电器状态显示：继电器状态通过协议中的 R 位进行标识，R=1 表示接通，R=0 表示断开。

整个系统的名称为 AUAISOUT000，其 WiFi 通信参数为：IP：10.10.10.11，端口号：8080。
通信协议采用定长格式，接收内容如下：

V:123A:12345P:1234567Q:1234567.89T:123R:1

其中：

V：电压，3 位数字，格式固定（如 V:012 表示 12V）。
A：电流，5 位数字，实际值为除以 1000，例如 A:12345 表示 12.345A。
P：功率，7 位数字，实际值为除以 1000，例如 P:1234567 表示 1234.567W。
Q：电量，带小数点，实际值为除以 1000000，例如 Q:1234567.89 表示 1.23456789 kWh。
T：运行时间，以秒为单位，例如 T:1234 表示系统已运行 1234 秒。
R：继电器状态，R:1 表示接通，R:0 表示断开。

发送命令为：

#：断开供电（继电器断开）。
*：接通供电（继电器吸合）。

2 系统电路设计

2.1 STM32 单片机最小系统电路

核心芯片：STM32F103 系列单片机，主频 72MHz，内置丰富的外设接口。
功能：作为系统核心，负责采集电压、电流数据，计算功率与电量，通过串口与 WiFi 模块通信，并控制继电器开关。
外设接口分配：
- ADC 通道用于采集电压、电流模拟信号。
- USART1 用于与 WiFi 模块通信。
- GPIO 控制继电器驱动电路及状态指示灯。

2.2 电压检测电路

元件：采用电压互感器 TV1005M。
原理：通过互感器将 220V 高压交流电变换为低压交流信号，经电阻分压与滤波电路后输入单片机 ADC 采集口。
作用：安全可靠地检测交流电压值。

2.3 电流检测电路

元件：采用电流互感器 TA1005M。
原理：将负载电流转换为比例电压信号，经运放调理后输入单片机 ADC 通道。
作用：实时测量电流大小，结合电压计算功率与电量。

2.4 WiFi 模块电路

元件：ESP8266 WiFi 模块。
通信方式：UART 串口通信，波特率 115200。
作用：实现数据上传与命令接收，手机 APP 通过 WiFi 连接模块的 IP 与端口号进行通信。

2.5 继电器及指示灯电路

继电器：用于控制插座的供电通断。
驱动方式：采用三极管或 MOSFET 驱动，GPIO 输出高电平吸合继电器。
指示灯：LED 用于显示继电器状态，绿色表示接通，红色表示断开。

2.6 电源电路

输入电源：220V AC，经降压电源模块输出 5V。
电源分配：STM32 与外围模块统一供电，ESP8266 需 3.3V 电源，由 AMS1117-3.3 提供稳压。

3 系统程序设计

系统程序采用 模块化设计，分为：主程序、电压电流采集模块、功率与电量计算模块、WiFi 通信模块、继电器控制模块、显示与报警模块。

3.1 主程序框架

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "usart.h"
#include "relay.h"
#include "wifi.h"
#include "calc.h"

float voltage, current, power, energy;
uint32_t runtime = 0;
uint8_t relay_state = 1;

int main(void)
{
    SysTick_Init();
    ADC_Config();
    USART1_Init(115200);
    Relay_Init();
    WiFi_Init("AUAISOUT000","10.10.10.11",8080);

    while(1)
    {
        voltage = Get_Voltage();
        current = Get_Current();
        power = voltage * current;
        energy += power / 3600.0; // Wh -> kWh
        
        WiFi_SendData(voltage, current, power, energy, runtime, relay_state);
        WiFi_ReceiveCmd(&relay_state);

        if(power > 200.0)  // 过载保护
        {
            Relay_Off();
            relay_state = 0;
        }
        else
        {
            if(relay_state == 1)
                Relay_On();
            else
                Relay_Off();
        }
        
        DelayMs(1000);
        runtime++;
    }
}

3.2 电压电流采集模块

float Get_Voltage(void)
{
    uint16_t adc_value = ADC_ReadChannel(0);
    float v = (adc_value / 4096.0) * 3.3 * 100; // 放大系数
    return v;
}

float Get_Current(void)
{
    uint16_t adc_value = ADC_ReadChannel(1);
    float i = (adc_value / 4096.0) * 3.3 * 10; // 放大系数
    return i;
}

3.3 WiFi 通信模块

void WiFi_SendData(float v, float a, float p, float q, uint32_t t, uint8_t r)
{
    char buffer[64];
    sprintf(buffer,"V:%03dA:%05dP:%07dQ:%0.2fT:%04dR:%d",
            (int)v, (int)(a*1000), (int)(p*1000), q, t, r);
    USART1_SendString(buffer);
}

void WiFi_ReceiveCmd(uint8_t *relay_state)
{
    char cmd = USART1_ReceiveByte();
    if(cmd == '#')
        *relay_state = 0;
    else if(cmd == '*')
        *relay_state = 1;
}

3.4 继电器控制模块

void Relay_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

void Relay_On(void)
{
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}

void Relay_Off(void)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}