电子产品世界

作者 祝朝坤¹ 鲁猛² 1.郑州工商学院(郑州 450000) 2.广州大学机械电气工程学院(广州 510000)

      摘要：本文提出了一种基于STM32的单片机的单相用电器分析监控装置的设计方案，通过该方案实现了对各种常见用电器种类的识别功能，并能够通过终端设备实现对家用电器的监控功能。同时该装置采用wifi模块与云端相连，从而能够进一步在手机上轻松监测家庭的用电设备。该单相用电器分析监测装置，在学习模式下，能测试并存储个单件用电器在各种状态下工作的特征参量，并在分析监测模式下，实时指示用电器的类别和工作状态。同时，该装置通过STM32单片机对电压互感器与电流互感器感应电压的波形的处理与变换，也可以实时精确地监测用电器的电压、电流、功率、功率因数、有功功率等各种电量参数。

　　关键词：物联网;智能家居;STM32单片机;互感器

　　0引言

　　在物联网与人工智能飞速发展的时代，电参数的采集变得尤其重要。手机APP随意可以控制智能设备，人们的生活变得更加方便快捷。但在快捷方便的背后难免存在一些安全隐患意识，对于如何才能确保手机发送的指令被正确的执行，电参数采集应运而生，通过对电器设备电参数的采集，本设计可以精确地判断用电器当前的工作状态，通过MCU对传感器采集信息的大量数据处理，作为反馈发送给手机端，来实现一个闭环的效应，保障了对智能设备的安全性。同时电参数的采集也可在人们的日常生活中得到体现，电子技术的快速发展，使得电子类产品大规模的出现在人们社会生活当中。对于工厂设备以及各种大功率的家电设备来说安全、可靠、高效是人们最为关心的内容，电参数采集设备能够更好的为人们的健康生活提供保障。

　　电参数采集系统作为现代物联网数据反馈，通过实时电参数反馈，手机APP或者电脑界面可显示各种用电场合现场的有效数据。在远程操作家庭电器上起到了至关重要的重用，保障了数据在远程传输的稳定性，电参数采集系统目前应用在三相交流电路中比较多，后期在智能家居，物联网生活的世界必不可少。

　　1系统设计

　　1.1系统的功能结构图

　　如图1所示，电参数采集系统以STM32F103ZET6单片机作为主控MCU，通过电压、电流互感器获取市电上电线变化特征参量转化为弱电参量，通过STM32内部ADC进行模数转换，并通过一系列数值计算和相应算法，得到所需的电量参数。并通过LCDTFT彩屏实时显示出来，并增加按键以供人机交互使用。

　　1.2系统的流程图

　　图2中，电参数采集分为四个部分，分别是数据的同步、电压采集、电流采集、LCD显示。在数据同步的过程中可上传至机智云云端，可实现用手机远程监控，同时数据也可下传至硬件电路端，通过MCU实时浮点运算，对数据进行更新与反馈。电压与电流采集分别经过运算放大电路和相角检测电路，之后可获取相关信息，包括用电器工作的频率，以及市电总线上相位的变化。TFTLCD显示端，不停刷新电参数显示的数据以及当前的环境数据变化，具体信息可通过按键来切换。

　　1.3构建开发环境

　　MDK5编译开发环境：MDK5作为强大的编译软件，提供了丰富的内核库和单片机种类库，包含链接、下载、仿真、调试，支持多种公司的仿真器与调试器，如JLink、ST_Link、ulink等，为开发STM32单片机缩短了时间，提高了开发效率。使用MDK5可实现对一些基于RAM内核的高级单片机的编程与调试，可以完成对ST公司的STM32F1系列的单片机的开发与调试。ST—Lnk仿真器：在程序调试的过程中可借助ST-Link进行程序的单步调试，大大缩短了开发过程中的难题。

　　2单相用电器分析监控装置的硬件设计

　　2.1硬件电路设计

　　系统电路设计包括：单片机MCU主控电路、信号采样放大电路、信号处理电路、TFT彩屏显示电路、独立按键切换电路、电源整流滤波稳压电路。

　　2.2电源电路设计

　　电源电路如图3所示，市电经变压器互感输出得到双12V的交流电压，经整流桥全桥整流和滤波电容进行滤波，得到的直流电压再经过7812与7912稳压芯片进行稳压，输出+12V与-12V的直流电压，双12V电源为信号放大板中的运放NE5532进行供电。+12V的直流电源再依次通过7805与AMS111-3.3稳压芯片，得到+5V与+3.3V的稳定电压，其中5V电源是为单片机的一些外设供电，包括温湿度传感器、TFT彩屏等。此外5V电源还为信号放大板中电压比较器和双D触发器供电，3.3V作为STM32芯片的主控电源，保证MCU时刻处于稳定工作模式。

　　2.3电压互感与电流互感信号放大电路设计

　　图4中，电压互感与电流互感信号经运放NE5532放大，输出1V的正弦交流信号。输出的信号经过精密整流电路可以得到稳定的直流，可作为STM32的ADC采集，在TFTLCD上可实时显示当前电压与电流值。放大输出的正弦交流信号同时也送到了相角差检测电路中，通过电压比较器将正弦波转换为方波信号，不同相位的信号送入双D触发器74HC74中可以得到相位差值，以低电平持续的时间来表示，STM32单片机可以通过定时器捕获来获取当前的相位差。

　　2.4主控单片机MCU电路设计

　　主控电路包括了STMF103ZET6最小系统：复位电路、晶振电路、BOOT选择电路，通过STM32最小系统完成对信号的采集，相关数据的转换。通过FSMC对外接TFT彩屏进行驱动，实时显示电参数值，此外在MCU中我们加入了自己的算法，通过这些算法，可以完成自主学习电器特性，做到了时间短，响应快。主控电路中还加入了独立按键电路，可以方便切换不同显示界面和一些参数的查询。

　　3单相用电器分析监控装置的软件设计

　　3.1软件设计

　　概述程序主要有三大部分，第一部分是电参数测量，该部分程序主要用于获取信息采集系统采集到的信息;第二部分是数据处理，主要用于将获取到的电参数信息经过一系列计算，得出当前电器类型及工作状态;第三部分是输出与输入部分，主要包括显示器实时显示当前信息，按键控制等。

　　3.2软件流程图

　　图4是该系统的软件开发流程图，上电先对所有设备初始化，通过电压互感器与电流互感器采集数据送入ADC中，在MCU中我们只需要对相角、频率、电压的变化进行相关处理，经过特殊的变换与相关算法来实现对用电器种类和个数的识别。判断按键的变化来切换LCD彩屏的显示。

　　3.3核心代码

　　int main()

　　LED_Init(); //LED端口及时钟初始化

　　KEY_Init(); //按键初始化

　　DHT11_Init(); //温湿度传感器初始化

　　TFT_LCD_Init(); //LCD彩屏初始化

　　ADC1_Int(); //ADC1初始化

　　while(1)

　　{

　　Key_Scan(); //按键扫描函数

　　if(time1==1) //每隔一秒读取一次温湿度

　　{ time1=0;

　　temp=read_dht11(0); //读取温度

　　humi=read_dht11(1); //读取湿度

　　DY=ADC_Read(1); //读取电压值

　　DL=ADC_Read(2); //读取电流值

　　}

　　if(muse==1) //菜单界面

　　{

　　deal_muse(); //菜单处理函数

　　LCD_SHOW(0x01); //LCD显示

　　}

　　if(shezhi==1) //设置界面

　　{

　　deal_shezhi(); //设置处理函数

　　LCD_SHOW(0x02); //LCD显示

　　}

　　if(zhungtai==1) //状态界面

　　{

　　deal_zhuangtai(); //状态处理函数

　　LCD_SHOW(0x03); //LCD显示

　　4 Multisum12仿真设计

　　4.1电压互感器输出信号放大的仿真设计

　　该对电压互感器输出电压采样，经过运放NE5532进行放大，本次设计仿真采用Multisum12版本进行仿真，搭建了基于NE5532严防的反向比例运算电路。如图7所示，该电路对信号发生器输出的0.1V的正弦交流电压进行方向比例运算放大，放大倍数为:22K/2K=11，图8中可看到输出波形的电压幅值有一定程度的放大，通道A是对电压互感器输出电压信号的采集，电压幅值大概在100mV，通道B是经过运算放大器输出的电压波形，电压幅值大概在1.1V左右。同时我们也可以看到电压的相角发生了变化，放大输出的波形正好与输入的反向。图9从multisum12中的万用表工具中可以看到电压的有效值变化，放大倍数接近11倍，这与我们的理论是相符的。

　　4.2电流互感器输出信号放大的仿真设计

　　对电流互感器的信号的采集，选择变比为1000:1的电流互感器，获取市电上火线通过的正弦交流信号的变化波形，对于小功率的用电器，比如在50mA的手机充电器工作的状态下，互感端只有50uA的感应电流，在感应端并联采样电阻，输出感应电压，在下面的仿真中，可以看到到信号发生器输出50HZ，100uV的正弦信号时，经过反向比例运算放大后经电压提高100倍左右，如图10电路中将电压放大100倍(R3/R2)。

　　4.3对小信号正弦交流电压精密整流仿真设计

　　对输入的电压互感器与电流互感器经过运算放大器放大后产生1V左右的正弦交流信号，如果直接用二极管全桥滤波的话会存在0.7V压降的问题，输出波形将会失真。采用精密整流电路，利用运放加二极管的特性设计如下的电路，在正弦交流正半周期，D3截止，D4导通，R3、R1、U1B组成一个放大倍数为-1的方向放大电路。当输入电压为负半周期时，D3导通，D4截止，此时U1B的作用将R1两端的电压钳位在0V，而U2A的反馈使得R2右端的电位为0V，因此R1与R2两端电位相等，没有电流流过，整个电路是R4、R5、U2A组成一个放大倍数为-1的方向放大电路。综合上面两种情况，该电路的功能是将输入信号求绝对值。仿真波形如图13所示，输入为正弦交流信号，输出波形将负半轴取绝对值。

　　4.4电压与电流相角差电路仿真设计

　　放大后的采样电流与电压值需要进行相位测量，图15是相角测量电路，输入的不同相位正弦信号波形，经LM393电压比较器转换成对应的方波信号，正弦波正半周期转换为方波的高电平，正弦波负半周期转换为方波低电平，图17中可以观察到方波的变化。LM393输出的方波进一步送入双D触发器74HC74中，对方波信号的处理，图18可以看到最终输出的低电平区间(对应的相角值)。

　　5总结

　　本文基于STM32电参数采集装置可获取市电上电压信号值、电流信号值、相角差值以及频率等相关电参数。通过以上仿真可以清楚看到运放放大电路与精密整流电路的正确性，进一步看到了设计电路的准确性和可靠性。这些采集的基础参数通过一系列算法，从而实现了对用电器的种类和个数的识别，为物联网时代安全性贡献一份力量。

本文来源于中国科技期刊必威娱乐平台 2019年第1期第67页，欢迎您写论文时引用，并注明出处

关键词： 物联网 智能家居 STM32单片机 互感器 201901