摘 要

本文针对直流充电桩运行状态的检测情况，设计了一款基于ARM芯片采集检测的硬件电路，并对芯片内部的软件部分简单地做了介绍，所得结果对于实际产品来说有重要的指导意义。

本次设计主要研究了用于谐波检测的硬件电路，通过霍尔传感器检测线路的电压电流信号，并对传感器转换后的信号进行调理，调理成ARM芯片ADC模块可以处理的信号，然后进入STM32F4芯片内的ADC模块，进行同步采样，再将采样结果进行加窗的FFT计算，输出结果到显示屏，若结果超出预设值，则报警电路发出报警信号。

研究结果表明：本次设计可以满足实际需求，可以进行应用。

本文的特色：设计了基于STM32F4芯片的硬件电路，主要设计了对传感器检测到的信号进行一系列处理及同步采样的硬件电路，简单介绍了软件模块的算法选择，最后给出结论。

关键词：STM32F4；谐波检测；霍尔传感器；信号调理电路

Abstract

In this paper，a hardware circuit based on ARM chip acquisition and detection is designed for the detection of the working state of DC charging pile. The software part of the chip is simply introduced，and the result is of great significance to the actual product.

This design mainly studied the hardware circuit for harmonic detection，through the Hall sensor to detect the line voltage and current signals，and the sensor after the conversion of the signal conditioning，conditioning into the ARM chip ADC module can handle the signal，and then enter the STM32F4 Chip ADC module，the synchronization sampling，and then sampling the results of the window FFT calculation，the output to the display，if the result exceeds the default value，the alarm circuit to send an alarm signal.

The results show that this design can meet the actual needs and can be applied.

In this paper，the hardware circuit based on STM32F4 chip is designed. The hardware circuit of the signal detected by the sensor is designed，and the hardware circuit of the software module is introduced. Finally，the conclusion is given.

Key Words：STM32F4；Harmonic detection；Hall sensor；Signal conditioning circuit

目 录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 谐波检测发展趋势 2

第2章 研究对象及器件的选择 4

2.1 技术方案 4

2.1.1 充电桩的类型及选型 4

2.1.2 主要测量元器件的选择 5

2.2 基本电气量测量 7

2.3 程序算法选择 9

第3章 硬件电路的设计及相关参数的计算 11

3.1 系统电路总体结构 11

3.2 霍尔电压传感器选型及参数计算 13

3.3 霍尔电流传感器选型及参数计算 15

3.4 信号预调理电路 18

3.5 过零检测电路 22

3.6 锁相倍频电路 25

3.7 电压抬升电路与放大电路 27

3.8 LCD显示电路 29

3.9 复位电路 29

3.10 运放电源去耦电路 30

3.11 蜂鸣器报警电路 30

第4章 总结与展望 31

参考文献 32

附录 34

致谢 37

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

由于全球气候的剧烈变化以及传统能源的日益枯竭，如何满足巨大的能源需求已经成为当今经济社会发展过程中不得不面对的关键性问题。面对能源和环境的双重压迫，以新型能源为未来主要发展目标的能源转型及革命已经悄然展开。在汽车市场领域，以往的大排量汽车逐渐不适应社会发展的需要，为了能在未来的汽车行业占有一席之地，世界各国的汽车研究重心也在逐渐转向低碳领域。电动汽车与以汽油为燃料的传统汽车相比，在节能环保方面更具有优势，而且其适合在城市中运行的优点也成为备受政府与大众青睐的特点之一。

在国外，一些发达国家及部分发展中国家，都在完善本国的电动汽车充电设施建设并且制订了相应的充电站发展计划。我国与一些发达国家相比，在电动汽车技术发展领域发展研究时间相对较短，但是得益于近些年来的政府相关扶持政策，以及与相关领域各个科研机构之间的合作，目前已在电动汽车充电技术领域取得了积极的突破。另外，我国还设立了“电动汽车重大科技专项”，集中先进科研力量进行攻关，并在一些重点技术上取得了较好地进展。目前，为了完成未来的相关发展计划，我国的基础充电设施正在从部分区域投入试点建设，再逐渐发展到分布全国的全方位建设。

随着工业生产水平和人民生活质量的逐渐提升，接入电网中的非线性设备数量和额定容量也在逐渐增加。这些非线性设备的使用给电网正常运行带来了严重的干扰，其中的干扰之一就是谐波。电力系统中的谐波会导致供电电压不稳定,使供电的质量下降。一旦发生谐波污染情况时，就很可能会对电网的正常供电造成严重的影响，比如会导致关键环节的设备保护系统发生误动甚至造成电力设备被损坏等^[1]。其实，谐波也可以视作是一种会使电力系统受到“滋扰”的干扰量^[2]。电动汽车的充电桩是非线性负荷，是充电站里面最主要的产生谐波的设备。随着充电桩的运行状态检测标准更新以及充电桩的实际需求不断扩大，旧的设备在很多方面（尤其是谐波检测方面）不足以满足要求。所以需要运算能力更强的检测设备取而代之。

鉴于ARM处理器的小体积及较高的运算速率等优点，再加上其已成为RISC标准的特点，所以选择采用基于ARM的充电装置运行状态检测系统，对充电装置与电力系统之间的线路进行检测，从而达到我们设计的需求。通过对它的接电端口电气量进行检测，可以判别该充电装置是否为谐波源，并通过该测试系统内的预告警功能来实现充电装置的谐波报警及保护功能，以至于可以避免由充电装置引发的谐波对电网系统造成污染，进而使电网及时消除谐波干扰的威胁，为我国的电力系统电力质量提供保障并为评价设备安全运行等提供重要依据。

1.2 国内外研究现状

在一些工业发达的国家，电力系统的电能质量问题早已得到重点关注，尤其在谐波问题及其解决方面给予了足够的重视。随着现代科学技术的飞速发展，社会的各个领域都会使用到电力电子装置，而由它引发的谐波污染也给电力系统的安全可靠运行造成了隐患。这不仅会影响到线路周围的电磁环境，而且对其自身的危害也极其严重。为了研究清楚谐波问题及找到解决方案，国际上许多学术团体相继组织成立了专门的合作小组，研究拟定出了限制谐波的相关标准，并且不断地加以完善。在谐波检测算法方面，为了便于进行实时监测，国外的一些学者提出了基于瞬时无功功率的算法^[3]。此后，人们在不断寻找研究新的检测算法。当前在谐波检测领域里，基于快速傅里叶变换及其改进方法是主要采用的算法^[4]。