功率監(jiān)測與控制系統(tǒng)DIY?電機功率控制

1   功能概覽

實時功率監(jiān)測：通過INA219采集電機電流，計算功率并顯示。

過流保護控制：當(dāng)電流超過設(shè)定閾值時，切斷電機供電（響應(yīng)時間<0.5s）。

閾值動態(tài)修改：通過開發(fā)板串口或外接按鍵調(diào)整過流閾值。

雙保護模式：

自鎖模式：過流后需手動復(fù)位（按鍵或串口指令）才能恢復(fù)供電。

打嗝模式：過流后暫停供電，電流正常后延時1秒自動恢復(fù)。

2   硬件介紹

NUCLEO-F411RE開發(fā)板：作為系統(tǒng)核心控制器，負責(zé)數(shù)據(jù)采集、邏輯處理、閾值修改及模式切換功能。

INA219電流檢測模塊：實時監(jiān)測電機負載電流，分辨率達0.1mA，量程可配置，通過I2C接口傳輸數(shù)據(jù)。

OLED顯示屏（128×64）：顯示實時電流、閾值、工作模式及狀態(tài)信息，采用I2C通信。

220V轉(zhuǎn)12V開關(guān)電源：為系統(tǒng)供電，輸出12V直流電供開發(fā)板及電機驅(qū)動電路使用。

繼電器模塊：控制電機通斷，實現(xiàn)過流保護的物理隔離。

按下圖所示，將各模塊連接起來，組成本次項目的演示電路。

3   設(shè)計思路

硬件架構(gòu)：以NUCLEO-F411RE為核心，通過I2C總線連接INA219和OLED，繼電器控制電機通斷，開關(guān)電源提供穩(wěn)定電力。

軟件邏輯：

周期性采集電流數(shù)據(jù)并更新顯示。

比較當(dāng)前電流與閾值，觸發(fā)保護邏輯。

根據(jù)模式選擇執(zhí)行自鎖或打嗝策略。

通過中斷或輪詢處理串口/ 按鍵輸入，動態(tài)修改閾值或切換模式。

4   功能實現(xiàn)

4.1 軟件流程圖

4.2 實現(xiàn)過程

（1）硬件初始化

INA219配置： 通過I²C設(shè)置量程（±3.2 A）和ADC分辨率（12 位）。

OLED初始化：初始化顯示屏并繪制界面框架（模式狀態(tài)、標(biāo)題、電壓、電流、功率）。

繼電器控制：通過GPIO控制繼電器吸合/ 釋放，初始狀態(tài)為閉合（電機通電）。

（2）電流采集與閾值判斷

采集頻率：每400ms讀取一次電流值，可通過滑動濾波算法消除噪聲。

過流檢測：若采樣值超過閾值，判定為過流，立即斷開繼電器（響應(yīng)時間<500 ms）。

（3）保護模式邏輯

自鎖模式：過流后斷開繼電器，OLED顯示“鎖”。單擊按下開發(fā)板上的用戶按鍵恢復(fù)解除鎖定，吸合繼電器。

打嗝模式：過流后斷開繼電器，啟動3s定時器。若定時器結(jié)束后電流恢復(fù)正常，自動吸合繼電器；否則保持斷開。

（4）動態(tài)閾值修改

串口指令：通過串口接收SET:<value>指令，修改閾值。

按鍵調(diào)節(jié)：短按按鍵進入閾值調(diào)整模式，通過旋轉(zhuǎn)編碼或加減鍵修改數(shù)值。

（5）模式切換

按鍵切換：開發(fā)板上的用戶按鍵雙擊操作，可進行模式切換。兩種模式循環(huán)切換。

5   功能展示

實時監(jiān)測界面

OLED顯示標(biāo)題：模式（自鎖/ 打嗝）電壓電流表、當(dāng)前電壓、電流、功率、模式（自鎖/ 打嗝）。其中自鎖模式，在標(biāo)題左側(cè)顯示自，打嗝模式顯示嗝。當(dāng)自鎖模式時，觸發(fā)限流鎖定，將會顯示鎖。解除鎖定后，重新顯示自

過流保護演示

自鎖模式

手動觸發(fā)過流后，OLED顯示“鎖”，電機停止，需單擊按鍵恢復(fù)。

打嗝模式

過流后電機暫停，3秒后自動重啟（若電流正常）。

不過電機啟動瞬間會有較大電流，因此也可能啟動后重新觸發(fā)過流鎖定。

閾值修改

默認情況下，過流保護閾值為200 mA。為電機正?？蛰d不會觸發(fā)保護的電流值。可通過串口發(fā)送指令進行調(diào)整過流保護閾值。命令格式為：SET:保護電流值（單位：毫安）。例如：向串口發(fā)送SET:100 后，閾值更新為100 mA。

模式切換

雙擊按鍵可切換模式

6   總結(jié)

本項目基于NUCLEO-F411RE開發(fā)板構(gòu)建了低成本、高性能的功率監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了以下創(chuàng)新點：

快速響應(yīng)：通過優(yōu)先級優(yōu)化和繼電器驅(qū)動電路設(shè)計，過流響應(yīng)時間<0.5 s。

模式靈活性：支持自鎖與打嗝雙模式，適應(yīng)不同應(yīng)用場景需求

人機交互：結(jié)合OLED 可視化界面與串口/ 按鍵操作，提升用戶體驗。

改進方向：

增加遠程監(jiān)控功能（如WiFi/ 藍牙模塊）。

擴展數(shù)據(jù)記錄功能，存儲歷史電流曲線。

優(yōu)化打嗝模式邏輯，支持多次重試后鎖定。

該項目可廣泛應(yīng)用于小型電機保護、電源管理系統(tǒng)等場景，具備較高的實用價值與擴展?jié)摿Α?/p>

7   遇到的問題

1.剛拿到開發(fā)板時，編寫閃燈程序進行燒錄時，出現(xiàn)錯誤。原因是開發(fā)板板載的STLink軟件版本太老導(dǎo)致，升級STLink軟件版本后，燒錄正常。

2.使用U8g2庫驅(qū)動OLED顯示中文時， 某些漢字無法顯示。一開始測試使用的“你好”二字時，顯示輸出正常。然后在做基礎(chǔ)任務(wù)三時，顯示“電壓電流表”時，只顯示了“電流表”。搞的我還以為是代碼跑飛了，折騰了好久。才發(fā)現(xiàn)是字庫中沒有“壓”這個字，切換字庫之后顯示正常。

8   心得體會

參加《Let's do 2025 年第1 期—— DigiKey陪你走過春夏秋冬●DIY功率監(jiān)測與控制系統(tǒng)》活動，是一次將技術(shù)理論轉(zhuǎn)化為實踐的深度探索。通過圍繞NUCLEOF411RE開發(fā)板、INA219電流檢測模塊等核心硬件的系統(tǒng)設(shè)計，我不僅完成了電機過流保護控制的項目目標(biāo)，更在技術(shù)能力、問題解決思維和協(xié)作體驗上獲得了全方位提升。

這次DIY之旅讓我深知：電子開發(fā)不僅是代碼與電路的堆砌，更是需求分析、資源整合與創(chuàng)新設(shè)計的綜合藝術(shù)。這次的活動如同一座橋梁，連接了愛好者與專業(yè)工程師的世界，而我也在“走過春夏秋冬”的探索中，收獲了屬于自己的技術(shù)春天。

最后，感謝電子產(chǎn)品世界/EEPW聯(lián)合得捷電子推出的這次活動，期待未來活動能引入更多工業(yè)級場景案例（如光伏、智能家居），進一步打通技術(shù)到應(yīng)用的“最后一公里”。愿我們繼續(xù)攜手走過更多創(chuàng)新旅程，在EEPW 社區(qū)的陪伴下，讓每一次探索都收獲技術(shù)的春天！

（本文來源于《EEPW》2020506）