Как написать курсовую по разработке средства измерений ПКЭ – полный пример с нуля

Введение. Как мы определим цели и задачи курсового проекта

В современном мире, где зависимость от вычислительной техники и сложных автоматизированных систем достигла своего пика, стабильность электроснабжения перестала быть просто технической нормой. Сегодня электрическая энергия — это полноценный товар, а качество этого товара напрямую влияет на экономику, эффективность производства и даже культуру потребления. Любые сбои, искажения или отклонения в сети могут привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования, потере данных и остановке критически важных технологических процессов.

Именно поэтому анализ и контроль качества электроэнергии (КЭ) становятся одной из ключевых задач для инженеров и разработчиков. Понимание этой проблемы и умение создавать инструменты для ее решения — важная компетенция современного специалиста.

Цель данного курсового проекта — разработка современного средства измерений (СИ) показателей качества электроэнергии (ПКЭ), которое будет способно в реальном времени анализировать состояние электросети и фиксировать отклонения от стандартных параметров.

Для достижения этой амбициозной, но выполнимой цели, нам предстоит решить несколько конкретных инженерных задач, которые и составят структуру нашей работы:

1. Провести глубокий анализ существующих на рынке приборов, чтобы понять их сильные и слабые стороны.
2. Разработать четкую структурную схему будущего устройства, определив все его ключевые узлы.
3. Сделать обоснованный выбор элементной базы, в первую очередь — «мозга» прибора, микроконтроллера.
4. Спроектировать полную принципиальную электрическую схему устройства.
5. Создать алгоритм работы и написать программное обеспечение для микроконтроллера, которое вдохнет жизнь в наше «железо».

Эта дорожная карта проведет нас через все этапы проектирования, от идеи до рабочего прототипа. Теперь, когда цели ясны, необходимо погрузиться в теорию и понять, какие именно параметры мы будем измерять и на какие стандарты опираться.

Раздел 1. Анализ Проблемы. Какие параметры определяют качество электроэнергии

Чтобы создать эффективный измерительный прибор, для начала нужно четко определить, что именно мы измеряем. Понятие «ухудшение качества электроэнергии» — это не абстракция, а совокупность конкретных технических отклонений от эталонных значений. В сетях переменного тока 0,4 кВ (стандартные бытовые и промышленные сети) эти отклонения могут нанести серьезный вред потребителям.

В общем случае ухудшение КЭ связано со следующими проблемами:

• Отклонения напряжения от номинальных значений (220 В/380 В): Длительная работа при пониженном или повышенном напряжении приводит к сбоям в работе и преждевременному износу оборудования.
• Отклонения частоты от номинальной (50 Гц): Хотя этот параметр в крупных энергосистемах достаточно стабилен, его отклонения могут критически сказаться на работе устройств, использующих частоту сети для синхронизации.
• Искажение синусоидальной формы кривой напряжения: Идеальный ток — это чистая синусоида. Однако мощные импульсные потребители (например, блоки питания компьютеров, сварочные аппараты) вносят в сеть искажения, известные как гармоники. Эти гармоники могут вызывать перегрев проводов и сбои в чувствительной электронике.
• Несимметрия фазных напряжений: В трехфазных сетях эта проблема приводит к неэффективной и аварийной работе электродвигателей.

Более детальное описание показателей качества электроэнергии (ПКЭ) представлено в межгосударственном стандарте ГОСТ 13109-97. На практике, при разработке прибора, фокус делается на измерении наиболее критичных параметров, таких как:

1. Провалы напряжения и перенапряжения: Кратковременные, но значительные изменения напряжения, которые являются основной причиной сбоев цифровой техники.
2. Гармонические составляющие (гармоники): Позволяют оценить степень «загрязнения» синусоиды.
3. Фликер: Колебания напряжения, которые визуально воспринимаются как мерцание ламп освещения и вызывают утомление.

Каждый из этих параметров несет в себе информацию о состоянии сети и позволяет диагностировать потенциальные проблемы. Мы определили, что нужно измерять. Теперь давайте разберемся, как это регламентируется и какие устройства для этого уже существуют.

Раздел 2. Обзор Стандартов и Решений. На какие документы и аналоги мы будем опираться

Разработка любого измерительного прибора начинается с изучения двух областей: нормативной документации и существующего рынка. Это позволяет говорить на одном языке с другими инженерами и создавать конкурентоспособное решение.

Ключевым документом, регламентирующим нормы качества электроэнергии на территории СНГ, является ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Именно этот стандарт устанавливает допустимые отклонения для всех основных ПКЭ, включая напряжение, частоту, несинусоидальность и т.д. Он станет нашей «конституцией» при определении пороговых значений и алгоритмов анализа.

Для более широкого контекста полезно ознакомиться с его европейским аналогом — стандартом EN 50160 «Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks». Хотя в деталях он может отличаться, общие принципы и подходы к нормированию в обоих документах схожи. Сравнение этих стандартов в курсовой работе покажет глубину вашей проработки темы.

Анализ рынка существующих приборов для измерения ПКЭ — это не поиск готового решения, а способ выявить незанятые ниши и сформулировать преимущества собственного проекта.

Современные анализаторы качества электроэнергии, как правило, обладают следующими чертами:

• Высокая точность и широкий функционал: Они способны измерять десятки параметров и соответствуют строгим метрологическим требованиям.
• Высокая стоимость: Профессиональные приборы стоят дорого, что делает их недоступными для массового или бытового мониторинга.
• Закрытая архитектура: Пользователь не может модифицировать программное обеспечение или интегрировать прибор в собственные системы автоматизации нестандартными способами.
• Избыточный функционал: Часто для решения конкретной задачи (например, мониторинга только провалов напряжения) используется прибор с огромным количеством ненужных функций.

Этот анализ позволяет нам сформулировать концепцию нашего устройства: доступный, гибкий прибор с открытой архитектурой, нацеленный на решение самых насущных задач по контролю КЭ. Проанализировав теорию, стандарты и существующие приборы, мы готовы четко сформулировать требования к нашему собственному устройству.

Раздел 3. Техническое Задание. Каким должно быть наше будущее устройство

Техническое задание (ТЗ) — это документ, который переводит наши идеи и результаты анализа на формальный язык требований. Это фундамент, на котором будет строиться вся дальнейшая работа по проектированию аппаратной и программной частей. Четко составленное ТЗ защищает от неопределенности и позволяет на финальном этапе объективно оценить, был ли проект успешным.

На основе выводов из предыдущих разделов, сформируем ТЗ для нашего прибора.

1. Назначение устройства
Прибор предназначен для непрерывного мониторинга, измерения и регистрации основных показателей качества электроэнергии в однофазных и трехфазных сетях переменного тока напряжением 0,4 кВ в соответствии с нормами ГОСТ 13109-97.

2. Измеряемые и регистрируемые параметры
Устройство должно измерять и регистрировать следующие ПКЭ:

• Действующее (RMS) значение напряжения.
• Отклонение частоты от номинальной (50 Гц).
• Коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion — THD).
• Фиксация событий: провалов напряжения и перенапряжений с записью временной метки.

3. Требования к точности и диапазонам
— Диапазон измерения напряжения: 180 — 260 В.
— Точность измерения напряжения: не хуже 1%.
— Диапазон измерения частоты: 49.5 — 50.5 Гц.
— Точность измерения частоты: не хуже 0.1%.

4. Требования к программному обеспечению

• Сбор данных (data logging): Устройство должно иметь возможность сохранять измеренные значения и зафиксированные события во внутреннюю энергонезависимую память.
• Передача данных: Необходимо реализовать передачу текущих измерений и архивных данных на верхний уровень (например, на ПК или контроллер АСУ ТП) по стандартному промышленному протоколу Modbus RTU.
• Пользовательский интерфейс: Минимальный интерфейс на базе светодиодных индикаторов для отображения статуса работы и наличия аварийных отклонений.

5. Условия эксплуатации
— Температурный диапазон: 0…+50 °C.
— Корпус: для установки на DIN-рейку в электротехническом шкафу.

Имея на руках подробное ТЗ, мы можем приступить к самому интересному — выбору «железа», которое ляжет в основу нашего прибора.

Раздел 4. Выбор Мозга Устройства. Как мы подберем микроконтроллер и компонентную базу

Сердцем любого современного цифрового измерительного прибора является микроконтроллер (МК). В отличие от мощных процессоров в компьютерах, МК спроектированы не для максимальной производительности, а для эффективного взаимодействия с реальным миром. Они представляют собой «систему на кристалле», содержащую все необходимое для решения нашей задачи.

На рынке существует огромное количество семейств МК, но для разработки нашего устройства ключевыми являются следующие встроенные блоки:

• АЦП (Аналого-цифровой преобразователь): «Глаза» микроконтроллера. Этот блок преобразует аналоговый сигнал напряжения из сети в цифровой код, с которым уже может работать процессорное ядро. Нам важна его разрядность (чем выше, тем точнее) и скорость (чем выше, тем точнее можно восстановить форму сигнала).
• Таймеры и счетчики: Обеспечивают точные временные интервалы для оцифровки сигнала и позволяют точно измерять частоту.
• Интерфейсы связи (UART, SPI, I2C): Позволяют МК общаться с другими микросхемами (память, дисплеи) и передавать данные на компьютер, например, через преобразователь для реализации Modbus.

Проведем краткий сравнительный анализ популярных и доступных семейств МК, подходящих для нашего проекта:

Сравнительный анализ популярных семейств микроконтроллеров

Параметр	STM32 (ARM Cortex-M)	ESP32 (Tensilica Xtensa)	PIC (Microchip)
Архитектура и мощность	32-битная, высокая производительность, подходит для сложной математики (ЦОС).	32-битная, двухъядерная, встроенные Wi-Fi и Bluetooth.	8/16/32-битные, фокус на простоте и надежности.
АЦП	Высокоскоростные (MSPS), 12-битные, часто несколько независимых АЦП. Идеально для анализа формы сигнала.	12-битные, но могут быть шумными. Основной фокус на беспроводной связи.	10/12-битные, обычно медленнее, чем у STM32.
Экосистема и доступность	Огромное сообщество, профессиональные среды разработки (CubeIDE), низкая стоимость отладочных плат.	Очень популярны в DIY-сообществе (Arduino IDE), но фокус на IoT.	Давняя история, хорошая документация, но могут быть дороже и сложнее в освоении для новичков.

Для нашей задачи, где важен качественный анализ формы сигнала (для расчета THD) и высокая вычислительная мощность для алгоритмов ЦОС, выбор в пользу STM32 является наиболее обоснованным. Он предоставляет профессиональные инструменты и периферию, идеально подходящую для измерительной техники. ESP32 был бы избыточен из-за Wi-Fi, а PIC мог бы не справиться с объемом вычислений в реальном времени.

Стоит также упомянуть более мощные решения, такие как DSP (цифровые сигнальные процессоры) и FPGA (программируемые логические матрицы). DSP специально «заточены» под сложную математику, а FPGA позволяют создавать аппаратную реализацию алгоритмов. Однако для курсового проекта их сложность и стоимость избыточны. Современный МК STM32 — это золотая середина.

Мы выбрали мозг нашего прибора. Теперь пора спроектировать его «тело» — всю остальную электронную схему.

Раздел 5. Проектирование Аппаратной Части. Как мы соберем принципиальную схему

После выбора ключевого компонента — микроконтроллера — мы переходим к созданию целостной картины устройства. Лучше всего начать с верхнеуровневого представления — структурной схемы. Она показывает основные функциональные блоки и связи между ними, не вдаваясь в детали конкретных компонентов. Это карта нашего будущего прибора.

Типичная структурная схема для нашего анализатора ПКЭ будет включать:

• Измерительная часть: Узел, который подключается к сети 220В и безопасно понижает напряжение до уровня, приемлемого для АЦП микроконтроллера (обычно 0-3.3В).
• Вычислительное ядро: Наш микроконтроллер STM32 со всей необходимой обвязкой (кварцевый резонатор для тактирования, цепи сброса).
• Узел питания: Блок питания, который преобразует сетевое напряжение 220В в стабильные 5В и 3.3В для питания всей электроники.
• Интерфейсный блок: Микросхема-драйвер (например, MAX485) для преобразования UART-сигнала от МК в физический уровень интерфейса RS-485 для протокола Modbus.
• Блок индикации: Несколько светодиодов для отображения статуса работы.

Далее, на основе этой структуры, разрабатывается принципиальная электрическая схема. Это уже подробный чертеж, где указан каждый компонент (резистор, конденсатор, микросхема) и все соединения между ними. Опишем ключевые узлы подробнее.

1. Схема подключения датчиков напряжения
Категорически нельзя подавать 220В напрямую на вход МК. Для гальванической развязки и понижения напряжения обычно используется небольшой трансформатор или, для более современного решения, специализированные оптопары с линейной характеристикой или дифференциальные усилители. На выходе этой схемы мы должны получить чистый синусоидальный сигнал, смещенный относительно «виртуальной земли» (например, 1.65В) и с амплитудой, не превышающей 3.3В.

2. Схема питания (обвязка МК)
Это критически важный узел. Для питания ядра МК, его периферии и АЦП требуются отдельные, тщательно отфильтрованные линии питания. Обычно используется AC/DC-преобразователь для получения 5В из сети, а затем LDO-стабилизатор (с низким падением напряжения) для получения чистых 3.3В. Качество питания напрямую влияет на точность измерений АЦП.

3. Схема вывода информации
Для реализации Modbus RTU мы подключаем выводы UART (Tx, Rx) микроконтроллера к драйверу RS-485. Этот драйвер управляется еще одним выводом МК для переключения между режимами приема и передачи. Светодиоды подключаются к портам ввода-вывода МК через токоограничивающие резисторы.

При выборе компонентов (операционных усилителей, стабилизаторов) важно обращать внимание на их характеристики: уровень шума, скорость работы, температурный диапазон. Обоснованный выбор каждого элемента — признак качественной инженерной проработки. «Железо» спроектировано. Но без программного кода это лишь набор деталей. Вдохнем в нашу схему жизнь.

Раздел 6. Разработка Программного Обеспечения. Как мы напишем код для сбора данных

Программное обеспечение (ПО) — это интеллект нашего прибора. Именно оно превращает спроектированную схему в работающее устройство. Разработку ПО, как и аппаратной части, стоит начать с верхнеуровневого проектирования — создания алгоритма работы в виде блок-схемы. Это поможет визуализировать логику и последовательность действий.

Основной алгоритм можно разделить на две части: инициализация и главный цикл.

1. Инициализация периферии (выполняется один раз при включении)

1. Настройка тактирования системы: запуск основного генератора на максимальную стабильную частоту.
2. Конфигурация АЦП: Выбор режима непрерывного сканирования, настройка триггера запуска преобразования от таймера, включение DMA (Direct Memory Access). DMA позволит передавать данные из АЦП в память без участия процессора, что критически важно для производительности.
3. Настройка таймера: Таймер настраивается так, чтобы он генерировал события с определенной частотой (например, 10 кГц). Эти события будут запускать АЦП, обеспечивая равномерную дискретизацию сигнала.
4. Запуск интерфейсов: Инициализация UART для работы с Modbus и настройка GPIO-пинов для управления драйвером RS-485 и светодиодами.
5. Запуск основного таймера и АЦП.

2. Главный цикл программы (main loop)

Это бесконечный цикл, в котором выполняется основная работа. Благодаря использованию прерываний и DMA, цикл не занимается рутинным опросом, а реагирует на события.

В современной встраиваемой разработке принято использовать обработчики прерываний для асинхронных задач. Например, по прерыванию от DMA (сигнал о том, что буфер с данными от АЦП заполнен) будет запускаться математическая обработка.

Приведем пример псевдокода для демонстрации логики:

// main.c

// Буферы для данных АЦП (двойная буферизация)
uint16_t adc_buffer1[BUFFER_SIZE];
uint16_t adc_buffer2[BUFFER_SIZE];

volatile bool buffer1_ready = false;
volatile bool buffer2_ready = false;

int main(void) {
    // 1. Инициализация
    SystemClock_Config();
    Init_GPIO();
    Init_DMA();
    Init_ADC();
    Init_Timer();
    Init_Modbus();

    // Запускаем АЦП в режиме DMA с двойным буфером
    Start_ADC_DMA(adc_buffer1, adc_buffer2, BUFFER_SIZE);

    // 2. Главный цикл
    while (1) {
        if (buffer1_ready) {
            // Обрабатываем данные из первого буфера
            ProcessData(adc_buffer1); 
            buffer1_ready = false;
        }

        if (buffer2_ready) {
            // Обрабатываем данные из второго буфера
            ProcessData(adc_buffer2); 
            buffer2_ready = false;
        }

        // Обновляем Modbus регистры, моргаем светодиодом и т.д.
        Update_Modbus_Registers();
        Blink_LED();
    }
}

// Обработчик прерывания DMA (когда половина буфера заполнена)
void DMA_HalfComplete_Callback() {
    buffer1_ready = true;
}

// Обработчик прерывания DMA (когда буфер заполнен полностью)
void DMA_Complete_Callback() {
    buffer2_ready = true;
}

Эта архитектура (двойная буферизация) позволяет непрерывно собирать данные в один буфер, пока процессор обрабатывает уже собранные данные в другом. Это ключевой принцип для систем реального времени. Мы научились собирать «сырые» данные. Теперь главная задача — превратить этот поток цифр в осмысленную информацию о качестве электроэнергии.

Раздел 7. Алгоритмы Анализа. Как наше устройство будет вычислять ПКЭ

Сбор данных — это только полдела. Самая наукоемкая и интересная часть проекта — это их обработка. Поток оцифрованных значений напряжения с выхода АЦП необходимо превратить в конкретные показатели, описанные в ТЗ. Эта область называется цифровой обработкой сигналов (ЦОС).

Рассмотрим алгоритмы расчета для ключевых ПКЭ.

1. Расчет действующего значения напряжения (RMS)
Действующее (Root Mean Square) значение — это наиболее точная характеристика «мощности» переменного напряжения. Для его расчета необходимо за один или несколько периодов сетевой частоты выполнить следующие действия:

1. Каждое измерение АЦП (x_i) возвести в квадрат.
2. Найти среднее значение этих квадратов за период (N измерений).
3. Извлечь квадратный корень из полученного среднего.

Формула выглядит так: V_RMS = sqrt( (1/N) * Σ(x_i²) ). Результат затем масштабируется с учетом коэффициентов измерительной цепи, чтобы получить значение в Вольтах.

2. Вычисление коэффициента нелинейных искажений (THD)
THD (Total Harmonic Distortion) показывает, какая часть энергии сигнала содержится не в основной частоте (50 Гц), а в ее гармониках (100 Гц, 150 Гц и т.д.). Для его расчета требуется применить к собранному массиву данных Быстрое Преобразование Фурье (БПФ, или FFT). Этот мощный алгоритм разложит сигнал на его частотные составляющие. Далее THD вычисляется как отношение мощности всех гармоник к мощности основной частоты. Для STM32 существуют готовые, оптимизированные библиотеки ЦОС, включающие реализацию БПФ.

3. Обнаружение событий (провалов и перенапряжений)
Этот алгоритм проще, но требует быстрой реакции. Рассчитанное значение V_RMS непрерывно сравнивается с уставками (пороговыми значениями), заданными в ГОСТ.

ЕСЛИ (V_RMS < ПОРОГ_ПРОВАЛА) ТО
    Зафиксировать "Начало провала" + временная метка.
ИНАЧЕ ЕСЛИ (V_RMS > ПОРОГ_НОРМЫ И был_провал) ТО
    Зафиксировать "Конец провала" + временная метка.
КОНЕЦ ЕСЛИ

Аналогичная логика применяется для перенапряжений.

В качестве продвинутой темы для развития проекта можно рассмотреть применение методов машинного обучения (ML). Например, можно обучить нейронную сеть на массивах данных, соответствующих разным типам событий (короткое замыкание, провал, пуск мощного двигателя). Такая модель сможет не просто фиксировать отклонения, а классифицировать их, давая более ценную информацию для анализа. Эффективность такой модели можно будет оценить по метрике точности (accuracy) на тестовом наборе данных.

Наше устройство спроектировано, собрано (виртуально) и запрограммировано. Остался финальный и самый важный шаг — доказать, что оно работает как надо.

Раздел 8. Тестирование и Валидация. Как мы докажем работоспособность прибора

Разработка не заканчивается на последней строчке кода. Финальный этап, подтверждающий качество всей проделанной работы, — это тестирование. Его цель — проверить, соответствует ли разработанное устройство требованиям, изложенным в Техническом Задании.

Методологию тестирования следует выстраивать по принципу «от простого к сложному».

1. Модульное (автономное) тестирование
На этом этапе проверяется работоспособность отдельных узлов и функций.

• Проверка аппаратных узлов: С помощью мультиметра и осциллографа проверяются напряжения в контрольных точках схемы питания, форма и амплитуда сигнала на входе АЦП.
• Тестирование программных модулей: Каждая функция (расчет RMS, обработчик Modbus-запроса) проверяется отдельно. Для этого можно написать специальные тестовые функции, которые подают на вход известные данные и сравнивают результат с ожидаемым.

2. Комплексное (интеграционное) тестирование
После того как все модули проверены по отдельности, собираем систему воедино и проверяем ее в условиях, приближенных к реальным. Здесь ключевая задача — доказать, что измеренные параметры соответствуют нормативным требованиям и заявленной точности.

Для этого нам понадобится оборудование:

• Эталонный прибор: Профессиональный анализатор качества электроэнергии, показания которого мы будем считать истинными.
• Источник питания с возможностью имитации событий: Лабораторный программируемый источник переменного тока, который может генерировать напряжение с искажениями, провалами и перенапряжениями.

Сценарий теста выглядит так: на оба прибора (наш и эталонный) подается сигнал от источника. Мы симулируем различные ситуации (нормальный режим, провал напряжения на 20%, наличие 5-й гармоники) и сравниваем показания. Результаты удобно представить в виде таблицы.

Пример таблицы сравнительных испытаний

Имитируемое событие	Показания эталонного прибора	Показания нашего прибора	Отклонение, %
Нормальное напряжение	230.1 В	229.5 В	-0.26%
Провал напряжения	195.5 В	196.2 В	+0.35%
THD с искажениями	8.2 %	8.5 %	+3.6%

Представленные таким образом результаты наглядно доказывают, что прибор работает корректно и соответствует требованиям ТЗ по точности. Пройдя весь путь от идеи до работающего прототипа, мы готовы подвести итоги и оформить наши достижения в законченную научную работу.

Заключение. Как подвести итоги и подготовиться к защите

В рамках данной курсовой работы мы прошли полный цикл разработки сложного электронного устройства — анализатора показателей качества электроэнергии. Был проделан путь от постановки проблемы до тестирования готового прототипа, что позволило не только закрепить теоретические знания, но и получить ценные практические навыки в области проектирования встраиваемых систем.

Основная цель проекта — разработка средства измерений ПКЭ — была успешно достигнута. В ходе работы были получены следующие ключевые результаты:

1. Проведен системный анализ предметной области, изучены стандарты ГОСТ 13109-97 и EN 50160.
2. Разработано четкое техническое задание, ставшее основой для проектирования.
3. Сделан обоснованный выбор микроконтроллера STM32 и другой элементной базы.
4. Спроектированы структурная и принципиальная электрические схемы устройства.
5. Разработана эффективная архитектура программного обеспечения и ключевые алгоритмы цифровой обработки сигналов.
6. Проведено тестирование, которое подтвердило работоспособность прибора и его соответствие требованиям по точности.

Проект имеет значительный потенциал для дальнейшего развития. Возможные пути улучшения включают: расширение списка измеряемых параметров, интеграцию с облачными сервисами для удаленного мониторинга через Wi-Fi (например, при переходе на ESP32), а также внедрение алгоритмов машинного обучения для предиктивной диагностики состояния сети.

При оформлении работы в «Список литературы» необходимо включить все использованные стандарты, техническую документацию на компоненты и научные статьи. В «Приложения» рекомендуется вынести полный листинг программного кода, чертежи схем и печатной платы.

При подготовке к защите, сконцентрируйтесь не на пересказе каждого шага, а на демонстрации логики принятия инженерных решений. Почему был выбран именно этот микроконтроллер? Как архитектура ПО решает проблему обработки данных в реальном времени? Какие результаты тестирования доказывают успешность проекта? Уверенные ответы на эти вопросы — ключ к успешной защите.