基于STM32单片机的智能插座设计

2020-10-26叶佳宝宋艺天刘公致崔佳东

通信电源技术 2020年13期

叶佳宝，王磊，宋艺天，刘公致，崔佳东

（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州 310018）

0 引言

目前，用电器已成为人们生活中不可或缺的一部分。但是，人们有时会忘记关闭用电器，而用电器待机时会产生大量电磁辐射，造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、心率失常等症状，特别是对婴幼儿的造成严重伤害。随着物联网和智能家居的发展，研发能够解决上述问题的智能插座具有重要意义。因此，设计了一种全新理念的安全插座，主要功能是检测正在工作的用电器类型，实时掌握正在工作的所有用电器种类，用以提醒用户是否已经关闭不必要的用电器，主要用于家用及办公用电器。

1 系统总体设计

系统的整体框图如图1所示，包括电压电流采样、放大电路、电压电流比较电路、单片机处理及显示电路[1]。通过电压电流采样电路采集插座上的电压电流数据并进行放大，然后送进单片机进行分析计算，最后将用电器使用情况显示在OLED显示屏上，然后通过按键操控整个系统。

2 硬件电路设计

2.1 MCU电路

采用的单片机型号为STM32F103C8T6，主要用于控制按键输入，采用FFT算法计算分析采样输入的电压电流，执行判断处理，最后显示处理结果等。

图1 系统总体设计框图

2.2 电压电流互感器设计

该模块的电路如图2所示。TA17-04是一款电流互感器，可以将输入0～20 A电流降到0～10 mA，R5为取样电阻[2]。TV1013-1H是一款精密电流型电压互感器，输入输出电流相等，输入220 V，输入电流I=220/30=7.3 mA，输出电压V=8.8 V，电容C6为滤波电容。

图2 电压电流互感器电路

2.3 电压电流采样放大电路设计

如图3所示，将互感器输出电压电流送入运算放大器OPA2227，经过放大后送入单片机进行处理。OPA2227是一款高精度、低噪声的运算放大器，R1、R2为反馈电阻，C4、C5为滤波电容[3]。

图3 电压电流采样放大电路

2.4 电压电流比较电路设计

电压电流比较器电路由精密电压比较器LM311P构成。当插座上有用电器插入或拔出时，电压电流互感器输出端输出的电压电流与基准源VREF进行比较。当有用电器插入时，互感器输出电压将高于基准源，比较器将输出的高电平脉冲送入单片机处理，以提醒单片机有用电器状态的改变。

2.5 辅助电源电路设计

本系统的辅助电源电路利用LM7805实现相关功能。LM7905集成稳压芯片将外部电压降为5 V，-5 V供运放OPA2227使用。LM7805输出纹波很小，适合高精度运放使用[4]。利用AMS1117两个系列分别将5 V电压降为3.3 V和1.2 V，给电压比较器和单片机供电。AMS1117是一款低压差线性稳压器，效率高[5]。

3 系统软件设计

3.1 软件总体设计思路

我国220 V交流电为工频50 Hz[6]，因此每个用电器的电压都为220 V正弦波，不能用于区分用电器类别。而电器电流则是一个不规则波，可用于区别用电器种类[7]。本产品通过AD转换，将硬件放大器送入的电流信号转换为数字量，采80个点进行存储和FFT（快速离散傅里叶变换）运算，之后的波形是无数多个不同频率正弦波的叠加，而离散傅里叶变换之后的值是不同频率正弦波所对应的不同的值。选取频率为50 Hz的正弦波对应的FFT之后的数值作为判断依据进行存储，该数值由实部（Re）和虚部（Im）组成。在刚开始的学习过程中，先给排插上的每个插座编号，然后将用电器单独分开学习，分别记录每个用电器5个不同周期内的Re和Im值，并取平均值存储到两个不同的数组中。在当前用电器学习完成后，把之前记录过的每个用电器的Re值和Im值进行组合，并把所有可能的组成情况打表放到一个数组里。检测时，把当前的Re值和表中的数据做差值，找出绝对值最小的一个。Im值同样如此。当两个差值匹配到表中同一种组成情况时，则可作出判定。针对有些电器功率缓慢上升的情况，在学习和检测时加入稳定性判断，有一个等待过程。只有当用电器的Re值和Im值在5个周期内相差小于0.1时，才会判断为稳定且进行记录。采用这种算法及判断方法计算量大，单片机判定加上延时等待时间长，但利用了用电器的电参量特性，可以精准识别多个用电器的组合，准确度高。

主要用到的傅里叶变换公式为[8-10]：

式中：x(n)为采样得到的电流值；X(k)为最后得到的结果，包含Re值和Im值。

3.2 程序流程设计

如图4所示，先进行初始化，然后进入显示界面。单片机检测是否有按键按下，然后分析按键内容。矩阵键盘的上面两排是8个用电器标号，当按下某个按键时，会自动学习当前用电器的特性储存到单片机。最下面一排按键是显示界面，从左到右分别是当前插座上电流电压功率数据、当前插座上电流曲线图、当前插座上电压曲线图以及8个用电器的接通状况判断。

图4 主程序流程图

4 实物制作与测试

4.1 实物制作

如图5所示，整体包括集成的单片机、电流电压互感器电路、电流电压采样放大电路、辅助电源模块和OLED显示模块。

图5 实物图

4.2 实测及误差分析

实测中测试了LED节能灯、电风扇、数字万用表以及函数信号发生器4种用电器，系统基本能够识别用电器的使用情况，且用电器可以任意插拔组合，个别时候识别时间较长，需等待，实测数据如表1所示。此外，如电烙铁这样的用电器暂时还无法很好地识别，会有出错的情况发生。因为电烙铁的工作状态时开时断，当加热到一定程度会停止工作，从而影响了单片机的判断。因此，本系统适合测量工作状态稳定的用电器。在判断时间上，因为系统需要计算的数据非常大，要进行FFT运算，还要进行叠加比较，导致判断时间长。因此，系统在时间上还可以进一步优化，减少判断等待的时间。