基于STM32的單相用電器分析監測裝置設計

王正剛，柏受軍

（ 安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

0．引言

隨著物聯網技術的迅猛發展，用電器的智能化水平越來越高，在電能大數據背景下，用電器狀態的分析與監測是智能電網的重要組成部分，顯得尤為重要[1]。用電器的分析監測方法主要分為侵入式和非侵入式兩種。傳統的侵入式監測方法為了獲取電能數據，需要在每個用電器上都安裝電參數采集裝置，當被監測系統內有多個用電設備時，成本太高，維護和管理也不方便。為了解決以上弊端，提出了非侵入式監測方法，利用算法分析被監測系統的電參數，從而判斷各個用電器的種類和工作狀態，對硬件要求較低，主要依靠強大的數據庫和數據處理算法。近年來，國內外高校和研究機構紛紛投入到用電器非侵入式監測技術的研究當中，并取得了一定的收獲[2]。

單相用電器分析監測裝置是以2017年全國大學生電子設計競賽K題為背景，設計制作的非侵入式用電器分析監測裝置，可根據同一條線路上的電參數信息分析用電器的類別和工作狀態。該裝置具有學習和分析監測兩種工作模式，在學習模式下，測試并存儲同一條線路上單件用電器的各種電特征參量；在分析監測模式下，實時顯示各用電器的種類和工作狀態。系統采用STM32單片機控制專用集成電路 CS5463直接完成電壓、電流、功率因數等參數的測量。與采用傳統的基礎元器件和信號采集卡相比，CS5463芯片中包含兩個模-數轉換器（ADC）、一個電能到頻率的轉換器和一個串行接口，具有功率計算功能?？赏ㄟ^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等電特征參數[3-4]。

本裝置由電參數采集模塊、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信息，通過串口傳送到STM32單片機，測試并存儲同一線路上各單件用電器的特征電參數。根據線路上電參數變化量，對比保存的單件用電器的特征參數，判斷并顯示用電器的種類和工作狀態。系統采用2 000:1的互感器和高精準電阻測量電流，使電流測量精度達到1 mA，可規避用電器正常工作時自身的電流擾動，提高系統工作的準確度。

1．系統設計

1．1．電路設計

系統的總體設計原理框圖如圖1所示。整個系統由五個模塊組成：

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

模塊二：電參數測量模塊。該模塊采集負載的電壓和電流，通過高精度A/D轉換器測量出負載的電壓值、電流值和功率因數等電參數，以數字量的形式發送到主控模塊中。

模塊三：主控模塊。該模塊在接到電參數測量模塊送入的電參數后，通過適當的算法判斷出系統接入的電器種類和狀態。

模塊四：顯示模塊。該模塊根據主控模塊判斷的結果，顯示出電器種類和狀態。

模塊五：電源模塊。該模塊負責給其他各模塊提供工作電源。

1．1．1．電源的設計

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。電壓設置為5 V，計算公式如（1）式：

圖1 系統總體設計原理框圖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．電參數測量模塊的設計

電源線的電參數測量電路如圖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，經增益放大器放大10倍，再通過二階調制器進行數字化。同時，電流通道輸入引腳輸入一電壓信號波，為適應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 ，再通過四階調制器來進行數字化[5]。

1．2．程序設計

系統控制流程圖如圖4所示。STM32單片機每隔一段時間讀取CS5463采集的電源線上電參數數據，計算出電壓值、電流值、有功功率值、功率因數值等，根據功率的變化量、電流變化量或功率因數等多種參數的變化，綜合判斷同一條線路上的用電器種類和狀態，然后將結果送顯示器顯示[6]。

圖3 電參數測量模塊電路圖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．測試方案及結果

2．1．測試設備與方法

所用的測試設備有：高精度信號發生儀，高精度萬用表。測試方法如下：

（1）精確設計電壓、電流互感器參數后，使用高精度信號發生儀，給采集模塊加上標準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參數，以此計算出電壓、電流、有功功率等參數的系數。

（2）使用校準后的采集模塊測量不同負載的典型特征參數，并保存到單片機內存中作為判斷依據。

（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。

2．2．測試數據

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

通過實驗測試數據，系統可以準備的識別用電器的工作狀態，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。

表1 取220V電壓和不同電流值時CS5463測量的電流數據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Tab.2 the characteristic parameters of the measured electrical appliances

3．結論

本次設計完成了單片機控制模塊、信息采集模塊、顯示模塊和電源模塊，很好地實現了單相電器的學習和監測功能。設計中采用了2000:1的互感器和高精準電阻測量電流，能在短時間內測得較精準的電流信號，且在電器工作時可規避電流擾動，不影響系統的正常判斷工作，突破了該設計中的難題，使裝置性能更加出色。

參考文獻：

[1]黃兢業．低壓（智能）電器新型標準體系探討[J]．電器與能效管理技術，2016（10）：61-65．

[2]程媛．家用電器負荷在線參數辨識方法的研究[D]．北京：華北電力大學，2016：34-42．

[3]馬磊，周琪，劉瑋蔚．一種全自動介質損耗標準器的研發[J]．電測與儀表，2011（12）：79-82．

[4]劉世飛．居民用戶電力需求響應控制器的研究與設計[D]．北京：華北電力大學，2016：32-41．

[5]王啟棟，姚曉通，王記榮．基于ARM和以太網的遠程電參數測量技術研究[J]．電子科技，2014，27（4）：44-47．

[6]高霏霏，唐姍姍．基于單片機的公共燈智能控制器設計[J]．銅仁學院學報，2017，19（6）：67-69．