基于STM32的單相用電器分析監(jiān)測系統(tǒng)

張廣林，呂英俊，于佩伶，劉玉亮

（山東科技大學(xué)，山東濟南，250031）

0 引言

在電能使用更加普及、用電器更加多樣和對電參數(shù)要求越來越高的這樣一個大背景下，為了安全、節(jié)能地用電，我們急需要設(shè)計一種可以直接并入單向網(wǎng)絡(luò)的用電器分析監(jiān)測裝置。用以實時監(jiān)測用電器的用電參數(shù)，為更安全、節(jié)能地用電和二次開發(fā)打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32單片機作為核心處理芯片，采用CT103電流互感器、DL-PT202H1電壓互感器作為基本電參數(shù)采集模塊、由STM32內(nèi)部寄存器及擴展口功能，加上無線模塊、采集模塊、LCD液晶顯示模塊設(shè)計并制作用于分析檢測單相用電器的裝置，實現(xiàn)對用電器的類型、工作狀態(tài)識別的功能。系統(tǒng)方案設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計框圖

2 電量采集與檢測

2.1 檢測電路設(shè)計

電壓電流信號經(jīng)過取樣、濾波、AD轉(zhuǎn)換后獲得了處理器能夠處理的數(shù)字信號,本系統(tǒng)采用均方根算法計算單相電路的電壓U、電流I、功率P、功率因數(shù)cosφ。均方根算法：

其中：N為每周期等間隔采樣次數(shù)：Uk為第k次采樣值。同理，有功功率，視在功率，無功功率及功率因數(shù)分別為

其中：U(t)：t時刻電壓瞬時值；I(t)：t時刻電流瞬時值；φ：電壓與電流夾角(相位差)；ω:角頻率；Um：電壓最大值(峰值電壓)；Im：電流最大值(峰值電流)

系統(tǒng)的檢測電路框圖如下圖2所示，利用電壓采樣電路如圖3所示，電流采樣電路如圖4所示對各個單相用電器的電壓、電流進行采樣，再由濾波網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定信號，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將得到所需的數(shù)字量。最后由均方根法得到我們所需要的各個特征參量的值。

2.2 特征參量設(shè)計和篩選

負(fù)載識別理論依據(jù)：用電器識別和工作狀態(tài)的判斷是本系統(tǒng)的主要功能，所以反應(yīng)用電器性能特征參量的選取是至關(guān)重要的一步。反映用電器性能的參量。

圖3 電壓檢測電路

圖4 電流檢測電路

主要有電壓、電流、功率、頻率、周期、溫度等。(1)用電器有效功率可作為電器識別初步篩選的一個條件,例電水壺相較于其他幾種用電器有著差別度很高的大功率值，所以根據(jù)功率可以較為快速準(zhǔn)確地識別出來，減少了時間復(fù)雜度;(2)功率因數(shù):如熱水器等純阻性電器的功率因數(shù)接近1，而非阻性電器的功率因數(shù)通常小于1；(3)啟動電流：如電機類的電風(fēng)扇等，在啟動瞬間電流很大,電壓很小，正常工作時，電流變得很小，電壓恢復(fù)到220V。根據(jù)實際情況和實驗測量數(shù)據(jù)，最終選定電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)這五個用電器為基本的指標(biāo)作為評測的特征量。

圖2 檢測電路框圖

3 程序設(shè)計

程序設(shè)計思路及流程圖：插上用電器2S中內(nèi)，本系統(tǒng)采用電壓采樣電路，電流采樣電路進行取樣、濾波、AD轉(zhuǎn)換后獲得了處理器能夠處理的數(shù)字信號,并將數(shù)字信號傳輸?shù)较挛粰C（核心板）采用均方根算法對數(shù)據(jù)進行處理，，得到單相電路的電壓U、電流I、功率P、功率因數(shù)cosφ,頻率，并將5種特征參量通過無線通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C的液晶顯示屏且完成分析監(jiān)測其類別和工作狀態(tài)。并通過軟件設(shè)計完成裝置的學(xué)習(xí)功能，當(dāng)進入學(xué)習(xí)模式后，上位機清除緩存信息，分析電器特征量并記錄儲存。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計流程圖

4 測試結(jié)果

系統(tǒng)硬件各模塊焊接、檢測完畢，連線無誤，逐步對各模塊進行測試。進而算法測試。將AD轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)通過串口調(diào)試工具顯示。測試一組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

本系統(tǒng)具有實時指示用電器類別和狀態(tài)的功能。并且可同時顯示所有可識別電器的工作狀態(tài)，另外，系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，能夠在清除作品存儲的所有特征參數(shù)后，在一分鐘內(nèi)重新測試并存儲指定電器的特征參數(shù)且裝置在檢測模式下的工作電流不大于15mA。

參考文獻

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