基于STM32的單相用電器分析監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

王正剛，柏受軍

（ 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0．引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，用電器的智能化水平越來越高，在電能大數(shù)據(jù)背景下，用電器狀態(tài)的分析與監(jiān)測是智能電網(wǎng)的重要組成部分，顯得尤為重要[1]。用電器的分析監(jiān)測方法主要分為侵入式和非侵入式兩種。傳統(tǒng)的侵入式監(jiān)測方法為了獲取電能數(shù)據(jù)，需要在每個用電器上都安裝電參數(shù)采集裝置，當(dāng)被監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)有多個用電設(shè)備時，成本太高，維護(hù)和管理也不方便。為了解決以上弊端，提出了非侵入式監(jiān)測方法，利用算法分析被監(jiān)測系統(tǒng)的電參數(shù)，從而判斷各個用電器的種類和工作狀態(tài)，對硬件要求較低，主要依靠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理算法。近年來，國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到用電器非侵入式監(jiān)測技術(shù)的研究當(dāng)中，并取得了一定的收獲[2]。

單相用電器分析監(jiān)測裝置是以2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽K題為背景，設(shè)計(jì)制作的非侵入式用電器分析監(jiān)測裝置，可根據(jù)同一條線路上的電參數(shù)信息分析用電器的類別和工作狀態(tài)。該裝置具有學(xué)習(xí)和分析監(jiān)測兩種工作模式，在學(xué)習(xí)模式下，測試并存儲同一條線路上單件用電器的各種電特征參量；在分析監(jiān)測模式下，實(shí)時顯示各用電器的種類和工作狀態(tài)。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)控制專用集成電路 CS5463直接完成電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的測量。與采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)元器件和信號采集卡相比，CS5463芯片中包含兩個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、一個電能到頻率的轉(zhuǎn)換器和一個串行接口，具有功率計(jì)算功能。可通過成本較低的分流器或互感器測量電流，也可以使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓，能夠精確測量瞬時電壓和電流，并計(jì)算電流的有效值、電壓的有效值、瞬時功率、有功功率和功率因數(shù)等電特征參數(shù)[3-4]。

本裝置由電參數(shù)采集模塊、主控模塊、顯示模塊和電源模塊等組成。利用電壓和電流互感器獲取線路的電參數(shù)信息，通過串口傳送到STM32單片機(jī)，測試并存儲同一線路上各單件用電器的特征電參數(shù)。根據(jù)線路上電參數(shù)變化量，對比保存的單件用電器的特征參數(shù)，判斷并顯示用電器的種類和工作狀態(tài)。系統(tǒng)采用2 000:1的互感器和高精準(zhǔn)電阻測量電流，使電流測量精度達(dá)到1 mA，可規(guī)避用電器正常工作時自身的電流擾動，提高系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確度。

1．系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1．電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由五個模塊組成：

模塊一：負(fù)載部分。系統(tǒng)可同時接入7種不同的負(fù)載，其中負(fù)載1為最小電流電器；負(fù)載1～負(fù)載5電器電流不大于50 mA；負(fù)載7為電流大于8 A的電器。

模塊二：電參數(shù)測量模塊。該模塊采集負(fù)載的電壓和電流，通過高精度A/D轉(zhuǎn)換器測量出負(fù)載的電壓值、電流值和功率因數(shù)等電參數(shù)，以數(shù)字量的形式發(fā)送到主控模塊中。

模塊三：主控模塊。該模塊在接到電參數(shù)測量模塊送入的電參數(shù)后，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄅ袛喑鱿到y(tǒng)接入的電器種類和狀態(tài)。

模塊四：顯示模塊。該模塊根據(jù)主控模塊判斷的結(jié)果，顯示出電器種類和狀態(tài)。

模塊五：電源模塊。該模塊負(fù)責(zé)給其他各模塊提供工作電源。

1．1．1．電源的設(shè)計(jì)

電源電路如圖2所示。芯片采用貼片8腳封裝的MP1584。工作電壓4.5～28 V，工作頻率1.5 MHz，輸出電流3A。電壓設(shè)置為5 V，計(jì)算公式如（1）式：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖Fig.1 the block diagram of the overall design principle of system

圖2 電源模塊電路圖Fig.2 the circuit diagram of the power module

1．1．2．電參數(shù)測量模塊的設(shè)計(jì)

電源線的電參數(shù)測量電路如圖3所示，模塊核心為單相雙向功率/電能IC芯片CS5463，采集電源線上的電壓和電流信號。電壓通道輸入引腳輸入一電壓信號波，經(jīng)增益放大器放大10倍，再通過二階調(diào)制器進(jìn)行數(shù)字化。同時，電流通道輸入引腳輸入一電壓信號波，為適應(yīng)不同電平的輸入電壓，電流通道集成有一個增益可編程放大器，使輸入電平滿量程可選擇為 ±250mVrms 或 ±50mVrms ，再通過四階調(diào)制器來進(jìn)行數(shù)字化[5]。

1．2．程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。STM32單片機(jī)每隔一段時間讀取CS5463采集的電源線上電參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出電壓值、電流值、有功功率值、功率因數(shù)值等，根據(jù)功率的變化量、電流變化量或功率因數(shù)等多種參數(shù)的變化，綜合判斷同一條線路上的用電器種類和狀態(tài)，然后將結(jié)果送顯示器顯示[6]。

圖3 電參數(shù)測量模塊電路圖Fig.3 the circuit diagram of the electrical parameters measurement module

圖4 程序控制流程圖Fig.4 the program control flow chart

2．測試方案及結(jié)果

2．1．測試設(shè)備與方法

所用的測試設(shè)備有：高精度信號發(fā)生儀，高精度萬用表。測試方法如下：

（1）精確設(shè)計(jì)電壓、電流互感器參數(shù)后，使用高精度信號發(fā)生儀，給采集模塊加上標(biāo)準(zhǔn)220 V交流電，然后再分別給采集板加上不同的電流值，測量CS5463在不同電流值下輸出的各項(xiàng)參數(shù)，以此計(jì)算出電壓、電流、有功功率等參數(shù)的系數(shù)。

（2）使用校準(zhǔn)后的采集模塊測量不同負(fù)載的典型特征參數(shù)，并保存到單片機(jī)內(nèi)存中作為判斷依據(jù)。

（3）接上不同用電器后，觀察顯示器能否正確顯示用電器的種類和狀態(tài)。

2．2．測試數(shù)據(jù)

接入220 V電壓并取不同電流值接入采集模塊后，CS5463測量得到的數(shù)據(jù)如表1所示，以此計(jì)算出電壓、電流、有功功率等參數(shù)的系數(shù)。在市電條件下，接入7種不同用電器后，各用電器關(guān)鍵特征參數(shù)如表2所示。

通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以準(zhǔn)備的識別用電器的工作狀態(tài)，并且在大電流用電器工作時，能正確識別小電流用電器的工作狀態(tài)。

表1 取220V電壓和不同電流值時CS5463測量的電流數(shù)據(jù)Tab.1 the current data measured by the CS5463 at 220 V and with different current values

表2 被測用電器的特征參數(shù)Tab.2 the characteristic parameters of the measured electrical appliances

3．結(jié)論

本次設(shè)計(jì)完成了單片機(jī)控制模塊、信息采集模塊、顯示模塊和電源模塊，很好地實(shí)現(xiàn)了單相電器的學(xué)習(xí)和監(jiān)測功能。設(shè)計(jì)中采用了2000:1的互感器和高精準(zhǔn)電阻測量電流，能在短時間內(nèi)測得較精準(zhǔn)的電流信號，且在電器工作時可規(guī)避電流擾動，不影響系統(tǒng)的正常判斷工作，突破了該設(shè)計(jì)中的難題，使裝置性能更加出色。

參考文獻(xiàn)：

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