基于STM32的單相用電器分析監(jiān)控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

作者 祝朝坤¹ 魯猛² 1.鄭州工商學(xué)院(鄭州 450000) 2.廣州大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院(廣州 510000)

      摘要：本文提出了一種基于STM32的單片機(jī)的單相用電器分析監(jiān)控裝置的設(shè)計方案，通過該方案實現(xiàn)了對各種常見用電器種類的識別功能，并能夠通過終端設(shè)備實現(xiàn)對家用電器的監(jiān)控功能。同時該裝置采用wifi模塊與云端相連，從而能夠進(jìn)一步在手機(jī)上輕松監(jiān)測家庭的用電設(shè)備。該單相用電器分析監(jiān)測裝置，在學(xué)習(xí)模式下，能測試并存儲個單件用電器在各種狀態(tài)下工作的特征參量，并在分析監(jiān)測模式下，實時指示用電器的類別和工作狀態(tài)。同時，該裝置通過STM32單片機(jī)對電壓互感器與電流互感器感應(yīng)電壓的波形的處理與變換，也可以實時精確地監(jiān)測用電器的電壓、電流、功率、功率因數(shù)、有功功率等各種電量參數(shù)。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能家居;STM32單片機(jī);互感器

　　0引言

　　在物聯(lián)網(wǎng)與人工智能飛速發(fā)展的時代，電參數(shù)的采集變得尤其重要。手機(jī)APP隨意可以控制智能設(shè)備，人們的生活變得更加方便快捷。但在快捷方便的背后難免存在一些安全隱患意識，對于如何才能確保手機(jī)發(fā)送的指令被正確的執(zhí)行，電參數(shù)采集應(yīng)運而生，通過對電器設(shè)備電參數(shù)的采集，本設(shè)計可以精確地判斷用電器當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過MCU對傳感器采集信息的大量數(shù)據(jù)處理，作為反饋發(fā)送給手機(jī)端，來實現(xiàn)一個閉環(huán)的效應(yīng)，保障了對智能設(shè)備的安全性。同時電參數(shù)的采集也可在人們的日常生活中得到體現(xiàn)，電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得電子類產(chǎn)品大規(guī)模的出現(xiàn)在人們社會生活當(dāng)中。對于工廠設(shè)備以及各種大功率的家電設(shè)備來說安全、可靠、高效是人們最為關(guān)心的內(nèi)容，電參數(shù)采集設(shè)備能夠更好的為人們的健康生活提供保障。

　　電參數(shù)采集系統(tǒng)作為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)反饋，通過實時電參數(shù)反饋，手機(jī)APP或者電腦界面可顯示各種用電場合現(xiàn)場的有效數(shù)據(jù)。在遠(yuǎn)程操作家庭電器上起到了至關(guān)重要的重用，保障了數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆€(wěn)定性，電參數(shù)采集系統(tǒng)目前應(yīng)用在三相交流電路中比較多，后期在智能家居，物聯(lián)網(wǎng)生活的世界必不可少。

　　1系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

　　如圖1所示，電參數(shù)采集系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控MCU，通過電壓、電流互感器獲取市電上電線變化特征參量轉(zhuǎn)化為弱電參量，通過STM32內(nèi)部ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過一系列數(shù)值計算和相應(yīng)算法，得到所需的電量參數(shù)。并通過LCDTFT彩屏實時顯示出來，并增加按鍵以供人機(jī)交互使用。

　　1.2系統(tǒng)的流程圖

　　圖2中，電參數(shù)采集分為四個部分，分別是數(shù)據(jù)的同步、電壓采集、電流采集、LCD顯示。在數(shù)據(jù)同步的過程中可上傳至機(jī)智云云端，可實現(xiàn)用手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時數(shù)據(jù)也可下傳至硬件電路端，通過MCU實時浮點運算，對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新與反饋。電壓與電流采集分別經(jīng)過運算放大電路和相角檢測電路，之后可獲取相關(guān)信息，包括用電器工作的頻率，以及市電總線上相位的變化。TFTLCD顯示端，不停刷新電參數(shù)顯示的數(shù)據(jù)以及當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)變化，具體信息可通過按鍵來切換。

　　1.3構(gòu)建開發(fā)環(huán)境

　　MDK5編譯開發(fā)環(huán)境：MDK5作為強(qiáng)大的編譯軟件，提供了豐富的內(nèi)核庫和單片機(jī)種類庫，包含鏈接、下載、仿真、調(diào)試，支持多種公司的仿真器與調(diào)試器，如JLink、ST_Link、ulink等，為開發(fā)STM32單片機(jī)縮短了時間，提高了開發(fā)效率。使用MDK5可實現(xiàn)對一些基于RAM內(nèi)核的高級單片機(jī)的編程與調(diào)試，可以完成對ST公司的STM32F1系列的單片機(jī)的開發(fā)與調(diào)試。ST—Lnk仿真器：在程序調(diào)試的過程中可借助ST-Link進(jìn)行程序的單步調(diào)試，大大縮短了開發(fā)過程中的難題。

　　2單相用電器分析監(jiān)控裝置的硬件設(shè)計

　　2.1硬件電路設(shè)計

　　系統(tǒng)電路設(shè)計包括：單片機(jī)MCU主控電路、信號采樣放大電路、信號處理電路、TFT彩屏顯示電路、獨立按鍵切換電路、電源整流濾波穩(wěn)壓電路。

　　2.2電源電路設(shè)計

　　電源電路如圖3所示，市電經(jīng)變壓器互感輸出得到雙12V的交流電壓，經(jīng)整流橋全橋整流和濾波電容進(jìn)行濾波，得到的直流電壓再經(jīng)過7812與7912穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出+12V與-12V的直流電壓，雙12V電源為信號放大板中的運放NE5532進(jìn)行供電。+12V的直流電源再依次通過7805與AMS111-3.3穩(wěn)壓芯片，得到+5V與+3.3V的穩(wěn)定電壓，其中5V電源是為單片機(jī)的一些外設(shè)供電，包括溫濕度傳感器、TFT彩屏等。此外5V電源還為信號放大板中電壓比較器和雙D觸發(fā)器供電，3.3V作為STM32芯片的主控電源，保證MCU時刻處于穩(wěn)定工作模式。

　　2.3電壓互感與電流互感信號放大電路設(shè)計

　　圖4中，電壓互感與電流互感信號經(jīng)運放NE5532放大，輸出1V的正弦交流信號。輸出的信號經(jīng)過精密整流電路可以得到穩(wěn)定的直流，可作為STM32的ADC采集，在TFTLCD上可實時顯示當(dāng)前電壓與電流值。放大輸出的正弦交流信號同時也送到了相角差檢測電路中，通過電壓比較器將正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號，不同相位的信號送入雙D觸發(fā)器74HC74中可以得到相位差值，以低電平持續(xù)的時間來表示，STM32單片機(jī)可以通過定時器捕獲來獲取當(dāng)前的相位差。

　　2.4主控單片機(jī)MCU電路設(shè)計

　　主控電路包括了STMF103ZET6最小系統(tǒng)：復(fù)位電路、晶振電路、BOOT選擇電路，通過STM32最小系統(tǒng)完成對信號的采集，相關(guān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。通過FSMC對外接TFT彩屏進(jìn)行驅(qū)動，實時顯示電參數(shù)值，此外在MCU中我們加入了自己的算法，通過這些算法，可以完成自主學(xué)習(xí)電器特性，做到了時間短，響應(yīng)快。主控電路中還加入了獨立按鍵電路，可以方便切換不同顯示界面和一些參數(shù)的查詢。

　　3單相用電器分析監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計

　　3.1軟件設(shè)計

　　概述程序主要有三大部分，第一部分是電參數(shù)測量，該部分程序主要用于獲取信息采集系統(tǒng)采集到的信息;第二部分是數(shù)據(jù)處理，主要用于將獲取到的電參數(shù)信息經(jīng)過一系列計算，得出當(dāng)前電器類型及工作狀態(tài);第三部分是輸出與輸入部分，主要包括顯示器實時顯示當(dāng)前信息，按鍵控制等。

　　3.2軟件流程圖

　　圖4是該系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程圖，上電先對所有設(shè)備初始化，通過電壓互感器與電流互感器采集數(shù)據(jù)送入ADC中，在MCU中我們只需要對相角、頻率、電壓的變化進(jìn)行相關(guān)處理，經(jīng)過特殊的變換與相關(guān)算法來實現(xiàn)對用電器種類和個數(shù)的識別。判斷按鍵的變化來切換LCD彩屏的顯示。

　　3.3核心代碼

　　int main()

　　LED_Init(); //LED端口及時鐘初始化

　　KEY_Init(); //按鍵初始化

　　DHT11_Init(); //溫濕度傳感器初始化

　　TFT_LCD_Init(); //LCD彩屏初始化

　　ADC1_Int(); //ADC1初始化

　　while(1)

　　{

　　Key_Scan(); //按鍵掃描函數(shù)

　　if(time1==1) //每隔一秒讀取一次溫濕度

　　{ time1=0;

　　temp=read_dht11(0); //讀取溫度

　　humi=read_dht11(1); //讀取濕度

　　DY=ADC_Read(1); //讀取電壓值

　　DL=ADC_Read(2); //讀取電流值

　　}

　　if(muse==1) //菜單界面

　　{

　　deal_muse(); //菜單處理函數(shù)

　　LCD_SHOW(0x01); //LCD顯示

　　}

　　if(shezhi==1) //設(shè)置界面

　　{

　　deal_shezhi(); //設(shè)置處理函數(shù)

　　LCD_SHOW(0x02); //LCD顯示

　　}

　　if(zhungtai==1) //狀態(tài)界面

　　{

　　deal_zhuangtai(); //狀態(tài)處理函數(shù)

　　LCD_SHOW(0x03); //LCD顯示

　　4 Multisum12仿真設(shè)計

　　4.1電壓互感器輸出信號放大的仿真設(shè)計

　　該對電壓互感器輸出電壓采樣，經(jīng)過運放NE5532進(jìn)行放大，本次設(shè)計仿真采用Multisum12版本進(jìn)行仿真，搭建了基于NE5532嚴(yán)防的反向比例運算電路。如圖7所示，該電路對信號發(fā)生器輸出的0.1V的正弦交流電壓進(jìn)行方向比例運算放大，放大倍數(shù)為:22K/2K=11，圖8中可看到輸出波形的電壓幅值有一定程度的放大，通道A是對電壓互感器輸出電壓信號的采集，電壓幅值大概在100mV，通道B是經(jīng)過運算放大器輸出的電壓波形，電壓幅值大概在1.1V左右。同時我們也可以看到電壓的相角發(fā)生了變化，放大輸出的波形正好與輸入的反向。圖9從multisum12中的萬用表工具中可以看到電壓的有效值變化，放大倍數(shù)接近11倍，這與我們的理論是相符的。

　　4.2電流互感器輸出信號放大的仿真設(shè)計

　　對電流互感器的信號的采集，選擇變比為1000:1的電流互感器，獲取市電上火線通過的正弦交流信號的變化波形，對于小功率的用電器，比如在50mA的手機(jī)充電器工作的狀態(tài)下，互感端只有50uA的感應(yīng)電流，在感應(yīng)端并聯(lián)采樣電阻，輸出感應(yīng)電壓，在下面的仿真中，可以看到到信號發(fā)生器輸出50HZ，100uV的正弦信號時，經(jīng)過反向比例運算放大后經(jīng)電壓提高100倍左右，如圖10電路中將電壓放大100倍(R3/R2)。

　　4.3對小信號正弦交流電壓精密整流仿真設(shè)計

　　對輸入的電壓互感器與電流互感器經(jīng)過運算放大器放大后產(chǎn)生1V左右的正弦交流信號，如果直接用二極管全橋濾波的話會存在0.7V壓降的問題，輸出波形將會失真。采用精密整流電路，利用運放加二極管的特性設(shè)計如下的電路，在正弦交流正半周期，D3截止，D4導(dǎo)通，R3、R1、U1B組成一個放大倍數(shù)為-1的方向放大電路。當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周期時，D3導(dǎo)通，D4截止，此時U1B的作用將R1兩端的電壓鉗位在0V，而U2A的反饋使得R2右端的電位為0V，因此R1與R2兩端電位相等，沒有電流流過，整個電路是R4、R5、U2A組成一個放大倍數(shù)為-1的方向放大電路。綜合上面兩種情況，該電路的功能是將輸入信號求絕對值。仿真波形如圖13所示，輸入為正弦交流信號，輸出波形將負(fù)半軸取絕對值。

　　4.4電壓與電流相角差電路仿真設(shè)計

　　放大后的采樣電流與電壓值需要進(jìn)行相位測量，圖15是相角測量電路，輸入的不同相位正弦信號波形，經(jīng)LM393電壓比較器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的方波信號，正弦波正半周期轉(zhuǎn)換為方波的高電平，正弦波負(fù)半周期轉(zhuǎn)換為方波低電平，圖17中可以觀察到方波的變化。LM393輸出的方波進(jìn)一步送入雙D觸發(fā)器74HC74中，對方波信號的處理，圖18可以看到最終輸出的低電平區(qū)間(對應(yīng)的相角值)。

　　5總結(jié)

　　本文基于STM32電參數(shù)采集裝置可獲取市電上電壓信號值、電流信號值、相角差值以及頻率等相關(guān)電參數(shù)。通過以上仿真可以清楚看到運放放大電路與精密整流電路的正確性，進(jìn)一步看到了設(shè)計電路的準(zhǔn)確性和可靠性。這些采集的基礎(chǔ)參數(shù)通過一系列算法，從而實現(xiàn)了對用電器的種類和個數(shù)的識別，為物聯(lián)網(wǎng)時代安全性貢獻(xiàn)一份力量。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第1期第67頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處