شبیه‌سازی دستگاه آنالیزور کیفیت توان برق (Power Quality Analyzer) در Proteus با STM32/ESP32 و FFT

---

شرح پروژه

یک پروژه شبیه‌سازی در نرم‌افزار Proteus نیاز دارم که عملکرد یک دستگاه آنالیزور کیفیت توان برق (Power Quality Analyzer) را شبیه‌سازی کند.

هدف این است که سیگنال‌های ولتاژ و جریان AC به‌صورت شبیه‌سازی‌شده وارد مدار شوند و میکروکنترلر با نمونه‌برداری و پردازش دیجیتال، پارامترهای مختلف شبکه برق را محاسبه و روی نمایشگر نمایش دهد.

طبق مشخصات پروژه، پارامترهای موردنظر شامل RMS، توان، ضریب توان، فرکانس و THD و همچنین تحلیل هارمونیک‌ها با FFT هستند.

محیط شبیه‌سازی

نرم‌افزار اصلی پروژه:

Proteus

پروژه باید به‌صورت کامل در Proteus قابل اجرا و شبیه‌سازی باشد.

بخش‌های مورد نیاز

1. تولید سیگنال

در محیط Proteus، ورودی‌های ولتاژ و جریان AC شبیه‌سازی شوند.

همچنین ترجیحاً امکان ایجاد شرایط مختلف روی سیگنال وجود داشته باشد، از جمله:

سیگنال سینوسی سالم

تغییر دامنه ولتاژ

تغییر جریان

تغییر فرکانس

ایجاد اعوجاج و هارمونیک روی موج

تا عملکرد سیستم در شرایط مختلف قابل بررسی باشد.

2. بخش اندازه‌گیری

ورودی‌های ولتاژ و جریان به‌صورت شبیه‌سازی‌شده وارد مدار Conditioning شده و سپس به ADC میکروکنترلر متصل شوند.

در طراحی اولیه پروژه، سنسور ولتاژ B101ZMPT و سنسور جریان C103ZMCT یا SCT-013 پیشنهاد شده است و مدار تطبیق شامل تقسیم مقاومتی، Op-Amp و ایجاد Offset حدود 1.65V در نظر گرفته شده است.

در صورت محدودیت Proteus برای شبیه‌سازی دقیق مدل سنسورها، می‌توان ورودی سنسورها را با منابع سیگنال مناسب معادل‌سازی کرد؛ اما ساختار کلی مدار باید مطابق معماری پروژه باشد.

3. میکروکنترلر

ترجیحاً از یکی از میکروکنترلرهای زیر استفاده شود:

STM32F401

STM32F411

یا در صورت مناسب بودن ESP32

انتخاب نهایی با مجری و با توجه به قابلیت شبیه‌سازی در Proteus باشد.

4. نمونه‌برداری

نمونه‌برداری دیجیتال از سیگنال‌های ولتاژ و جریان انجام شود.

طبق مشخصات اولیه پروژه، نرخ نمونه‌برداری پیشنهادی 12.8kHz و تعداد نمونه‌ها 256 نمونه برای هر سیکل 50Hz است.

5. محاسبات

برنامه میکروکنترلر باید پارامترهای زیر را از نمونه‌های ورودی محاسبه کند:

ولتاژ RMS

جریان RMS

توان اکتیو

توان ظاهری

ضریب توان (PF)

فرکانس شبکه

THD

دامنه هارمونیک‌ها

توان واقعی نیز بر اساس حاصل‌ضرب نمونه‌های ولتاژ و جریان محاسبه شود.

6. محاسبه فرکانس

فرکانس شبکه با استفاده از تشخیص Zero Crossing سیگنال ولتاژ محاسبه شود.

در صورت وجود نویز، استفاده از فیلتر دیجیتال یا روش Input Capture قابل قبول است. در مشخصات پروژه، دقت هدف برای اندازه‌گیری فرکانس حدود 0.01Hz ذکر شده است.

7. FFT و THD

یکی از بخش‌های اصلی پروژه، پیاده‌سازی FFT برای تحلیل هارمونیک‌ها است.

FFT روی 256 نمونه از سیگنال انجام شود و هارمونیک‌های اصلی و هارمونیک‌های بالاتر استخراج شوند.

هدف، نمایش طیف فرکانسی و استخراج هارمونیک‌ها تا هارمونیک 25ام است.

سپس مقدار THD محاسبه و روی نمایشگر نمایش داده شود.

8. نمایشگر

نتایج اندازه‌گیری روی یک LCD یا OLED در محیط Proteus نمایش داده شوند.

حداقل اطلاعات قابل نمایش:

Voltage RMS

Current RMS

Frequency

Active Power

Apparent Power

Power Factor

THD

Harmonic information

در صورت امکان، نمایش شماره و دامنه هارمونیک‌ها نیز انجام شود.

خروجی‌های مورد انتظار از مجری

مجری باید موارد زیر را تحویل دهد:

فایل کامل پروژه Proteus با پسوندهای مربوطه

فایل شماتیک کامل مدار

سورس کامل برنامه میکروکنترلر

فایل HEX/BIN مورد نیاز برای اجرای شبیه‌سازی

توضیحات مربوط به نحوه اجرای پروژه در Proteus

توضیح نحوه تولید و تغییر سیگنال ورودی

نتایج تست شبیه‌سازی برای چند حالت مختلف

توضیح نحوه محاسبه RMS، توان، PF، فرکانس، FFT و THD

تست و صحت عملکرد

پروژه باید حداقل با چند حالت مختلف تست شود، برای مثال:

موج سینوسی 50Hz بدون هارمونیک

موج دارای هارمونیک

تغییر ولتاژ و جریان

تغییر ضریب توان

تغییر فرکانس

نتایج محاسبات میکروکنترلر با مقادیر مورد انتظار مقایسه و صحت عملکرد نشان داده شود.

نکته بسیار مهم

این پروژه صرفاً شبیه‌سازی در Proteus است و نیازی به ساخت PCB یا مونتاژ سخت‌افزار واقعی ندارد.

مدار، میکروکنترلر، ورودی‌های ولتاژ و جریان، پردازش سیگنال، FFT، محاسبه THD و نمایش نتایج باید در محیط شبیه‌سازی قابل اجرا باشند.

لطفاً قبل از قبول پروژه اعلام کنید:

با Proteus و شبیه‌سازی میکروکنترلر آشنایی دارید؟

با STM32 و پردازش سیگنال/FFT تجربه دارید؟

آیا می‌توانید FFT و THD را به‌صورت واقعی در شبیه‌سازی پیاده‌سازی کنید؟

زمان انجام پروژه چقدر است؟

هزینه پیشنهادی چقدر است؟

نمونه‌کار مشابه دارید؟

مهارت ها و تخصص های مورد نیاز

---

---