一種用電器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 鵬，李帥波，錢(qián) 美

（新疆理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，阿克蘇 843000）

在家用電器中從低功耗的小夜燈到大功率的空調(diào)以及常用的電飯鍋、燈帶、充電寶等，其工作過(guò)程中無(wú)時(shí)無(wú)刻不在消耗著電能。 但其電流、電壓及功率具體有多大，非專(zhuān)業(yè)人士很難估計(jì)，特別是對(duì)于包含電機(jī)類(lèi)的設(shè)備啟動(dòng)瞬間電流非常大可能對(duì)其他正在運(yùn)行的設(shè)備造成影響，甚至出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)的情況。 在提倡低碳環(huán)保的今天，設(shè)計(jì)一款具備實(shí)時(shí)監(jiān)控用電器運(yùn)行狀態(tài)和功耗的儀器，使人們對(duì)不同用電器的功耗有定量的認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要。 鑒于此，本設(shè)計(jì)提出了一種5 mA～10 A 用電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、識(shí)別、存儲(chǔ)及顯示系統(tǒng)，對(duì)于普及用電器功耗常識(shí)，了解常用電器的功率輸出特性，提高人們節(jié)能減排的意識(shí)有重要的意義。

1 方案論證

1.1 方案一

采用傳統(tǒng)的分立元件搭建測(cè)試平臺(tái)，選擇1000：1電流互感器，但需要經(jīng)過(guò)I/V 變換、放大、50 Hz 陷波、有效值檢測(cè)再通過(guò)24 位高精度A/D 轉(zhuǎn)換器ADS1256 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后顯示[1-2]。 單片機(jī)處理過(guò)程中要嚴(yán)格按照標(biāo)度變換識(shí)別不同的用電設(shè)備，存儲(chǔ)器選擇AT24C02，顯示器選擇I2C 型OLED，獨(dú)立按鍵則用來(lái)設(shè)置工作模式、保存或清除存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分立元件構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram composed of discrete elements

1.2 方案二

采用電能計(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)，其以串口的形式輸出電流、電壓及有功功率[3-4]，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度高，按鍵電路、 顯示電路及存儲(chǔ)電路與方案一相同，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電能計(jì)量模塊構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram composed of electric energy metering module

1.3 方案對(duì)比

方案一結(jié)構(gòu)清晰，因互感器對(duì)小電流檢測(cè)難度大，一般提高抗干擾能力要使用SMA 接頭，同時(shí)對(duì)PCB 布線(xiàn)要求較高，I/V 變換及放大環(huán)節(jié)要使用正負(fù)偏置電壓，如果放大倍數(shù)設(shè)置不合理還可能出現(xiàn)被檢測(cè)信號(hào)削頂?shù)那闆r，使檢測(cè)信號(hào)失真或超出A/D 轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)范圍，無(wú)法達(dá)到電流檢測(cè)的目的，同時(shí)成本較高。 而方案二電能計(jì)量模塊中采用專(zhuān)門(mén)的電能計(jì)量芯片，電路簡(jiǎn)單，使用便捷，串口采集數(shù)據(jù)的程序移植方便且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，優(yōu)勢(shì)非常明顯[5]。 因此，本設(shè)計(jì)中采用方案二。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 電能計(jì)量模塊的工作原理分析

電能計(jì)量模塊通過(guò)互感器將測(cè)量電源和工作電源隔離，電能計(jì)量模塊采用5 V 供電，最高不超過(guò)5.2 V。 通信接口電平輸出標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)TL 電平，可直接與常規(guī)的5 V 單片機(jī)或3.3 V 供電的采用Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 單片機(jī)以串口的形式實(shí)現(xiàn)全雙工通信，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換電路[6]，其與工頻電源、負(fù)載、單片機(jī)及供電電源的連接方式如圖3 所示。

圖3 電能計(jì)量模塊的接線(xiàn)方式Fig.3 Wiring method of the electric energy metering module

2.2 標(biāo)度變換

標(biāo)度變換是將電能計(jì)量模塊采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有具體單位的物理量的過(guò)程。 本設(shè)計(jì)中所需轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為電流、電壓及功率。 電能計(jì)量模塊提供一套指令系統(tǒng)，當(dāng)通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)指令時(shí)，計(jì)量模塊就向上位機(jī)或單片機(jī)返回相關(guān)的電能參數(shù)，對(duì)于單片機(jī)以狀態(tài)機(jī)的編程形式提取電壓、電流及有功功率[7-8]。 具體標(biāo)度變換如表1 所示。

表1 采集數(shù)據(jù)的處理Tab.1 Data acquisition and processing

3 軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用的增強(qiáng)型51 單片機(jī)IAP15 系列，可通過(guò)其配備的下載軟件STC-ISP 設(shè)定工作頻率和上電復(fù)位功能，無(wú)需外接時(shí)鐘和復(fù)位電路，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。 利用單片機(jī)的串口3 與電能計(jì)量模塊通信；采用7 路LED 實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)7 中用電器的工作狀態(tài)；I2C 型OLED 實(shí)時(shí)顯示用電設(shè)備的電流、電壓、有功功率及運(yùn)行狀態(tài)；按鍵電路用以實(shí)現(xiàn)模式切換、用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的存儲(chǔ)、刪除功能，為了提高效率對(duì)于按鍵的識(shí)別采用中斷和查詢(xún)相結(jié)合的形式。 具體硬件電路如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件電路圖Fig.4 System hardware circuit diagram

3.2 主程序設(shè)計(jì)

軟件采用C 語(yǔ)言模塊化程序設(shè)計(jì)思路，以主程序?yàn)槿肟谡{(diào)用各個(gè)子程序，其中子程序主要由電參數(shù)采集及處理子程序、按鍵掃描子程序、OLED 子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與刪除子程序等組成。 每個(gè)子程序都包含.H 頭文件和.C 可執(zhí)行文件，頭文件通過(guò)防重復(fù)定義宏指令對(duì)函數(shù)聲明，可執(zhí)行文件主要完成對(duì)聲明函數(shù)的定義并預(yù)留與主程序交互的接口，便于后期程序的移植、升級(jí)與維護(hù)。 因涉及到串口通信，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與快速性，單片機(jī)晶振設(shè)置為22.1184 MHz， 設(shè)計(jì)中將每一種用電器的額定電流采用宏定義的形式定義，方便用電器更換后程序的修改。

為提高鍵盤(pán)掃描效率，采用有效利用單片機(jī)硬件資源的方案，將頻繁操作的功能按鍵采用下降沿觸發(fā)的中斷工作方式， 其次采用查詢(xún)工作方式，查詢(xún)工作方式通過(guò)軟件設(shè)置具備松手檢測(cè)和消抖功能。 系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)監(jiān)控電流與某一種用電器或某一組合用電器相匹配時(shí)，將對(duì)應(yīng)編號(hào)的用電器用電狀態(tài)置1，當(dāng)按下存儲(chǔ)按鍵，將用電狀態(tài)存儲(chǔ)于相應(yīng)空間，當(dāng)按下清除按鍵，將用電狀態(tài)清0。 具體流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main program

3.3 電流參數(shù)的滑動(dòng)平均值濾波

將采集數(shù)據(jù)以隊(duì)列的形式排列，將新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，淘汰隊(duì)首的數(shù)據(jù)并求剩余數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為有效數(shù)據(jù)。 該濾波器能有效抑制周期性干擾，但對(duì)脈沖干擾的抑制能力較差。 同時(shí)隊(duì)列的長(zhǎng)度越長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集的效率也越低。 在兼顧實(shí)時(shí)性的同時(shí)，為了降低求取算術(shù)平均值時(shí)的舍入誤差，隊(duì)列的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能選擇求取算術(shù)平均值時(shí)能整除[9]。 本設(shè)計(jì)中由于部分電器為感性負(fù)載如電機(jī)、日光燈等，啟動(dòng)電流波動(dòng)較大，采用滑動(dòng)平均值濾波能有效抑制電流波動(dòng)，使程序易于識(shí)別小功率負(fù)載，而實(shí)時(shí)性方面滿(mǎn)足2 s 之內(nèi)識(shí)別所工作的電器或電器組。

4 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試過(guò)程中問(wèn)題分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)中7 種用電設(shè)備采用工頻電壓下功耗為5.63 mA 的LED、7.67 mA 的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、1 m 燈帶工作電流為25.96 mA、LED 充電臺(tái)燈工作電流為45.5 mA、2 m 燈帶工作電流為53.81 mA。 前5 種電器獨(dú)立工作電流均小于60 mA， 第6 種電器為工作電流為1.539 A 的電熱鍋，第7 種電器為工作電流為8.375 A 的電吹風(fēng)。 實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立用電設(shè)備的識(shí)別功能；實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電吹風(fēng)工作時(shí)，其中1 種大于20 mA 的電器獨(dú)立工作時(shí)的識(shí)別功能；實(shí)現(xiàn)了最小功率的2 種電器的識(shí)別功能。 具體硬件控制電路如圖6 所示。

圖6 主控電路Fig.6 Main control circuit

4.2 數(shù)據(jù)采集精度分析

調(diào)試過(guò)程中采用五位半數(shù)字多用表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓，其與電能計(jì)量模塊的精度指標(biāo)保持一致，且由于電流采用滑動(dòng)平均值濾波，其測(cè)量結(jié)果受感性負(fù)載的運(yùn)行影響較小[10-11]。 具體計(jì)量模塊的性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 電能計(jì)量模塊的性能指標(biāo)Tab.2 Performance metrics of the energy metering module

利用本系統(tǒng)對(duì)7 種用電器電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和五位半數(shù)字多用表SA5061 的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of measurement results

通過(guò)對(duì)不同用電器在工頻交流電下監(jiān)測(cè)值與高精度五位半數(shù)字多用表的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)電流的監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求[12-13]。

4.3 調(diào)試過(guò)程中問(wèn)題分析

1）用電器狀態(tài)數(shù)據(jù)無(wú)法存儲(chǔ)

設(shè)計(jì)過(guò)程中利用初始化程序?qū)T24C02 內(nèi)部數(shù)據(jù)清空，所以重新開(kāi)始后數(shù)據(jù)無(wú)法保持。 通過(guò)取消初始化存儲(chǔ)器程序，而使用按鍵控制存儲(chǔ)與清除功能實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器狀態(tài)的存儲(chǔ)與刪除。

2）OLED 屏幕顯示的切換

因OLED 要顯示多幅運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)計(jì)中特設(shè)置了一個(gè)清屏按鍵，模式切換后要按一次清屏按鍵，避免和之前的顯示重疊。

3）如何在多種組合模式顯示中只顯示其中2 種

設(shè)計(jì)中其中一種工作模式為大功率負(fù)載與剩余6 種負(fù)載的任意組合，為了防止多種組合模式的串?dāng)_，一次只顯示其中2 種模式，大功率電器采用if語(yǔ)句判斷，后續(xù)的6 種設(shè)備軟件設(shè)計(jì)中采用條件判斷語(yǔ)句if……else if 或開(kāi)關(guān)語(yǔ)句switch……case 語(yǔ)句，這樣如果大功率電器運(yùn)行，后續(xù)電流大小的程序判斷只要符合要求只執(zhí)行1 次便跳出判斷語(yǔ)句。

4）如果更換用電器如何調(diào)整程序的兼容性

采用宏定義設(shè)置不同設(shè)備運(yùn)行的具體電流，如更換用電器則需修改對(duì)應(yīng)的額定電流即可，同時(shí)也方便在調(diào)試過(guò)程中實(shí)時(shí)修改。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)用電器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的方案論證、理論分析與計(jì)算、軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)的介紹，完成了實(shí)物的制作與調(diào)試，總結(jié)了調(diào)試過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及解決的措施。 采用電能計(jì)量模塊與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成的用電器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)， 能有效監(jiān)控用電器的電參數(shù)和特定的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電參數(shù)的測(cè)量與用電器狀態(tài)識(shí)別方面的設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。