功率监测与控制系统DIY⸺电机功率控制

1   功能概览

实时功率监测：通过INA219采集电机电流，计算功率并显示。

过流保护控制：当电流超过设定阈值时，切断电机供电（响应时间<0.5s）。

阈值动态修改：通过开发板串口或外接按键调整过流阈值。

双保护模式：

自锁模式：过流后需手动复位（按键或串口指令）才能恢复供电。

打嗝模式：过流后暂停供电，电流正常后延时1秒自动恢复。

2   硬件介绍

NUCLEO-F411RE开发板：作为系统核心控制器，负责数据采集、逻辑处理、阈值修改及模式切换功能。INA219电流检测模块：实时监测电机负载电流，分辨率达0.1mA，量程可配置，通过I2C接口传输数据。

OLED显示屏（128×64）：显示实时电流、阈值、工作模式及状态信息，采用I²C通信。

220V转12V开关电源：为系统供电，输出12V直流电供开发板及电机驱动电路使用。

继电器模块：控制电机通断，实现过流保护的物理隔离。

按下图所示，将各模块连接起来，组成本次项目的演示电路。

3   设计思路

硬件架构：以NUCLEO-F411RE为核心，通过I²C总线连接INA219和OLED，继电器控制电机通断，开关电源提供稳定电力。

软件逻辑：

周期性采集电流数据并更新显示。

比较当前电流与阈值，触发保护逻辑。

根据模式选择执行自锁或打嗝策略。

通过中断或轮询处理串口/ 按键输入，动态修改阈值或切换模式。

4   功能实现

4.1 软件流程图

4.2 实现过程

（1）硬件初始化

INA219配置： 通过I2C设置量程（±3.2 A）和ADC分辨率（12 位）。OLED初始化：初始化显示屏并绘制界面框架（模式状态、标题、电压、电流、功率）。

继电器控制：通过GPIO控制继电器吸合/ 释放，初始状态为闭合（电机通电）。

（2）电流采集与阈值判断

采集频率：每400ms读取一次电流值，可通过滑动滤波算法消除噪声。过流检测：若采样值超过阈值，判定为过流，立即断开继电器（响应时间<500ms）。

（3）保护模式逻辑

自锁模式：过流后断开继电器，OLED显示“锁”。单击按下开发板上的用户按键恢复解除锁定，吸合继电器。

打嗝模式：过流后断开继电器，启动3s定时器。若定时器结束后电流恢复正常，自动吸合继电器；否则保持断开。

（4）动态阈值修改

串口指令：通过串口接收SET:<value>指令，修改阈值。按键调节：短按按键进入阈值调整模式，通过旋转编码或加减键修改数值。

（5）模式切换

按键切换：开发板上的用户按键双击操作，可进行模式切换。两种模式循环切换。

5   功能展示

实时监测界面

OLED显示标题：模式（自锁/ 打嗝）电压电流表、当前电压、电流、功率、模式（自锁/ 打嗝）。其中自锁模式，在标题左侧显示自，打嗝模式显示嗝。当自锁模式时，触发限流锁定，将会显示锁。解除锁定后，重新显示自

过流保护演示

自锁模式

手动触发过流后，OLED显示“锁”，电机停止，需单击按键恢复。

打嗝模式

过流后电机暂停，3秒后自动重启（若电流正常）。

不过电机启动瞬间会有较大电流，因此也可能启动后重新触发过流锁定。

阈值修改

默认情况下，过流保护阈值为200mA。为电机正常空载不会触发保护的电流值。可通过串口发送指令进行调整过流保护阈值。命令格式为：SET:保护电流值（单位：毫安）。例如：向串口发送SET:100 后，阈值更新为100mA。

模式切换

双击按键可切换模式

6   总结

本项目基于NUCLEO-F411RE开发板构建了低成本、高性能的功率监测与控制系统，实现了以下创新点：快速响应：通过优先级优化和继电器驱动电路设计，过流响应时间<0.5s。

模式灵活性：支持自锁与打嗝双模式，适应不同应用场景需求

人机交互：结合OLED 可视化界面与串口/ 按键操作，提升用户体验。

改进方向：

增加远程监控功能（如WiFi/ 蓝牙模块）。

扩展数据记录功能，存储历史电流曲线。

优化打嗝模式逻辑，支持多次重试后锁定。

该项目可广泛应用于小型电机保护、电源管理系统等场景，具备较高的实用价值与扩展潜力。

7   遇到的问题

1.刚拿到开发板时，编写闪灯程序进行烧录时，出现错误。原因是开发板板载的STLink软件版本太老导致，升级STLink软件版本后，烧录正常。

2.使用U8g2库驱动OLED显示中文时， 某些汉字无法显示。一开始测试使用的“你好”二字时，显示输出正常。

然后在做基础任务三时，显示“电压电流表”时，只显示了“电电流表”。

搞的我还以为是代码跑飞了，折腾了好久。才发现是字库中没有“压”这个字，切换字库之后显示正常。

8   心得体会

参加《Let's do 2025 年第1 期—— DigiKey陪你走过春夏秋冬●DIY功率监测与控制系统》活动，是一次将技术理论转化为实践的深度探索。通过围绕NUCLEOF411RE开发板、INA219电流检测模块等核心硬件的系统设计，我不仅完成了电机过流保护控制的项目目标，更在技术能力、问题解决思维和协作体验上获得了全方位提升。

这次DIY之旅让我深知：电子开发不仅是代码与电路的堆砌，更是需求分析、资源整合与创新设计的综合艺术。这次的活动如同一座桥梁，连接了爱好者与专业工程师的世界，而我也在“走过春夏秋冬”的探索中，收获了属于自己的技术春天。

最后，感谢电子产品世界联合得捷电子推出的这次活动，期待未来活动能引入更多工业级场景案例（如光伏、智能家居），进一步打通技术到应用的“最后一公里”。愿我们继续携手走过更多创新旅程，在EEPW 社区的陪伴下，让每一次探索都收获技术的春天！

（本文来源于《EEPW》2020506）