基于STM32的单相用电器分析监测装置设计

王正刚，柏受军

（ 安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

0．引言

随着物联网技术的迅猛发展，用电器的智能化水平越来越高，在电能大数据背景下，用电器状态的分析与监测是智能电网的重要组成部分，显得尤为重要[1]。用电器的分析监测方法主要分为侵入式和非侵入式两种。传统的侵入式监测方法为了获取电能数据，需要在每个用电器上都安装电参数采集装置，当被监测系统内有多个用电设备时，成本太高，维护和管理也不方便。为了解决以上弊端，提出了非侵入式监测方法，利用算法分析被监测系统的电参数，从而判断各个用电器的种类和工作状态，对硬件要求较低，主要依靠强大的数据库和数据处理算法。近年来，国内外高校和研究机构纷纷投入到用电器非侵入式监测技术的研究当中，并取得了一定的收获[2]。

单相用电器分析监测装置是以2017年全国大学生电子设计竞赛K题为背景，设计制作的非侵入式用电器分析监测装置，可根据同一条线路上的电参数信息分析用电器的类别和工作状态。该装置具有学习和分析监测两种工作模式，在学习模式下，测试并存储同一条线路上单件用电器的各种电特征参量；在分析监测模式下，实时显示各用电器的种类和工作状态。系统采用STM32单片机控制专用集成电路 CS5463直接完成电压、电流、功率因数等参数的测量。与采用传统的基础元器件和信号采集卡相比，CS5463芯片中包含两个模-数转换器（ADC）、一个电能到频率的转换器和一个串行接口，具有功率计算功能。可通过成本较低的分流器或互感器测量电流，也可以使用分压电阻或电压互感器测量电压，能够精确测量瞬时电压和电流，并计算电流的有效值、电压的有效值、瞬时功率、有功功率和功率因数等电特征参数[3-4]。

本装置由电参数采集模块、主控模块、显示模块和电源模块等组成。利用电压和电流互感器获取线路的电参数信息，通过串口传送到STM32单片机，测试并存储同一线路上各单件用电器的特征电参数。根据线路上电参数变化量，对比保存的单件用电器的特征参数，判断并显示用电器的种类和工作状态。系统采用2 000:1的互感器和高精准电阻测量电流，使电流测量精度达到1 mA，可规避用电器正常工作时自身的电流扰动，提高系统工作的准确度。

1．系统设计

1．1．电路设计

系统的总体设计原理框图如图1所示。整个系统由五个模块组成：

模块一：负载部分。系统可同时接入7种不同的负载，其中负载1为最小电流电器；负载1～负载5电器电流不大于50 mA；负载7为电流大于8 A的电器。

模块二：电参数测量模块。该模块采集负载的电压和电流，通过高精度A/D转换器测量出负载的电压值、电流值和功率因数等电参数，以数字量的形式发送到主控模块中。

模块三：主控模块。该模块在接到电参数测量模块送入的电参数后，通过适当的算法判断出系统接入的电器种类和状态。

模块四：显示模块。该模块根据主控模块判断的结果，显示出电器种类和状态。

模块五：电源模块。该模块负责给其他各模块提供工作电源。

1．1．1．电源的设计

电源电路如图2所示。芯片采用贴片8脚封装的MP1584。工作电压4.5～28 V，工作频率1.5 MHz，输出电流3A。电压设置为5 V，计算公式如（1）式：

图1 系统总体设计原理框图Fig.1 the block diagram of the overall design principle of system

图2 电源模块电路图Fig.2 the circuit diagram of the power module

1．1．2．电参数测量模块的设计

电源线的电参数测量电路如图3所示，模块核心为单相双向功率/电能IC芯片CS5463，采集电源线上的电压和电流信号。电压通道输入引脚输入一电压信号波，经增益放大器放大10倍，再通过二阶调制器进行数字化。同时，电流通道输入引脚输入一电压信号波，为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器，使输入电平满量程可选择为 ±250mVrms 或 ±50mVrms ，再通过四阶调制器来进行数字化[5]。

1．2．程序设计

系统控制流程图如图4所示。STM32单片机每隔一段时间读取CS5463采集的电源线上电参数数据，计算出电压值、电流值、有功功率值、功率因数值等，根据功率的变化量、电流变化量或功率因数等多种参数的变化，综合判断同一条线路上的用电器种类和状态，然后将结果送显示器显示[6]。

图3 电参数测量模块电路图Fig.3 the circuit diagram of the electrical parameters measurement module

图4 程序控制流程图Fig.4 the program control flow chart

2．测试方案及结果

2．1．测试设备与方法

所用的测试设备有：高精度信号发生仪，高精度万用表。测试方法如下：

（1）精确设计电压、电流互感器参数后，使用高精度信号发生仪，给采集模块加上标准220 V交流电，然后再分别给采集板加上不同的电流值，测量CS5463在不同电流值下输出的各项参数，以此计算出电压、电流、有功功率等参数的系数。

（2）使用校准后的采集模块测量不同负载的典型特征参数，并保存到单片机内存中作为判断依据。

（3）接上不同用电器后，观察显示器能否正确显示用电器的种类和状态。

2．2．测试数据

接入220 V电压并取不同电流值接入采集模块后，CS5463测量得到的数据如表1所示，以此计算出电压、电流、有功功率等参数的系数。在市电条件下，接入7种不同用电器后，各用电器关键特征参数如表2所示。

通过实验测试数据，系统可以准备的识别用电器的工作状态，并且在大电流用电器工作时，能正确识别小电流用电器的工作状态。

表1 取220V电压和不同电流值时CS5463测量的电流数据Tab.1 the current data measured by the CS5463 at 220 V and with different current values

表2 被测用电器的特征参数Tab.2 the characteristic parameters of the measured electrical appliances

3．结论

本次设计完成了单片机控制模块、信息采集模块、显示模块和电源模块，很好地实现了单相电器的学习和监测功能。设计中采用了2000:1的互感器和高精准电阻测量电流，能在短时间内测得较精准的电流信号，且在电器工作时可规避电流扰动，不影响系统的正常判断工作，突破了该设计中的难题，使装置性能更加出色。

参考文献：

[1]黄兢业．低压（智能）电器新型标准体系探讨[J]．电器与能效管理技术，2016（10）：61-65．

[2]程媛．家用电器负荷在线参数辨识方法的研究[D]．北京：华北电力大学，2016：34-42．

[3]马磊，周琪，刘玮蔚．一种全自动介质损耗标准器的研发[J]．电测与仪表，2011（12）：79-82．

[4]刘世飞．居民用户电力需求响应控制器的研究与设计[D]．北京：华北电力大学，2016：32-41．

[5]王启栋，姚晓通，王记荣．基于ARM和以太网的远程电参数测量技术研究[J]．电子科技，2014，27（4）：44-47．

[6]高霏霏，唐姗姗．基于单片机的公共灯智能控制器设计[J]．铜仁学院学报，2017，19（6）：67-69．