基于STM32的用电器分析识别装置

荣海林 姜万里 孙广博 左佳旖

（山东大学控制科学与工程学院 山东省济南市 250061）

1 设计要求

设计并制作一个根据电源线电流的电参量信息分析在用电器类别的装置（2021年全国大学生电子设计竞赛H题）。该装置具有学习和分析识别两种工作模式。在学习模式下，测试并存储用于识别各单件电器的特征参量；在分析识别模式下，实时指示在用电器的类别。如图1所示。

图1：分析识别装置框图

要求：

（1）电器电流范围5mA～10.0A，可包括但不限于以下电器：LED灯泡和220V灯带、节能灯管、USB充电器（带负载）、无线路由器、机顶盒、电风扇、热水壶、电磁炉。

（2）自定可识别的电器种类，总数不低于7，用序号表示。电流不大于50mA的电器数不低于5，包括一件自制电器，编号为1～5；编号为7的电器电流大于8A。

（3）随机增减在用电器，实时显示可识别电器是否在用和电源线上电流的特征参量，响应时间不大于2s。特征参量的种类、性质自定。

（4）用电阻，电容和二极管自制1号电器，其电流与2号电器相同但相位不同，且含有谐波，两者电流差小于1mA。

（5）具有学习功能。清除作品存储的所有特征参量，重新测试并存储指定电器的特征参量。一种电器的学习时间不大于1分钟。

（6）随机增减在用电器，实时显示可识别电器是否在用和电源线上电流的特征参量，响应时间不大于2s。

（7）提高识别电流相同，其他特性不同的电器的能力和大、小电流电器共用时识别小电流电器的能力。

（8）装置在分析识别模式下的工作电流不大于15mA，可以选用无线传输到手机上显示的方式。

2 系统方案

2.1 总体方案设计

系统结构如图2所示。由供电模块提供±5V电源，对用电器分析识别装置进行供电，电流互感器测得当前插排上用电器输出电流信号，经分级放大电路后，一部分信号通过AD637芯片测出当前电流有效值，以完成实时电流监控；一部分与单片机发出的50Hz基准波比较测出电流参考相位；一部分信号利用恩智浦LPC54606单片机进行快速傅里叶变换（FFT）求出电流基波幅值。已知各用电器电流相位θ、电流基波幅值I（n=1～7）后，根据识别装置内部计算与分析，得到127组不同的识别参量，完成所有电器组合的识别。

图2：系统总体框图

2.2 技术方案分析比较

2.2.1 微处理器

方案一：采用STM32系列ARMCortex®M1作为主控核心。STM32F103是一款32位基于Cortex-M3内核，采用ARMv7-M架构的处理器，具有内部资源丰富、接口多、低成本、低功耗等优点，因其拥有优秀的收集处理数据的能力，所以可以很好适应本题要求。

方案二：采用NXPARM系列LPC54606单片机作为主控核心。LPC54606是一款基于ARMCortex-M4的处理器，高达220MHz的频率让其拥有极高的数据处理速度，可以满足控制要求。

综合考虑数据处理的快速性和稳定性，最终选择STM32F103单片机和恩智浦LPC54606单片机共用的方式做为设计方案，通过LPC54606单片机对信号进行高精度运算，通过STM32单片机单片机进行数据采集和对比，保证了高响应速度与高测量精度。

2.2.2 供电方案

方案一：使用开关电源进行供电。目前市面上的开关电源大多都能轻松实现AC220V～DC±5V的转换，且有较高的带负载能力。但开关电源的空载电流为0.45mA，工作电流过大，不满足题目要求，故不能使用此方案。

方案二：采用PM01隔离电源进行供电。此方案具有空载损耗小，体积小，低噪声，低纹波的优点，且带负载能力达3W，满足题目要求，但单个隔离电源只能提供+5V与GND接口，即只有正电源，需要串联使用。

综上所述，采用方案二的改进版，将两个隔离电源同时使用，输出±5V的直流电作为整个装置的供电，保证了整个装置的低功耗。

3 理论分析与计算

3.1 特征参量选取

根据题目要求，需要根据电流的电参量来完成用电器的识别。故目前已知可以利用的电参量包括：工频电流峰峰值、工频电流有效值、电流基波幅值及各次谐波幅值大小、工频电流相位、电流波形总谐波失真度等。

3.1.1 对于电流峰峰值、有效值参量，不单独作为特征参量选取：

各个用电器均有较大谐波，其工作电流均是非正弦工频周期波形且相位不同，故两个用电器同时使用时，如果不知道相位差和各个谐波的分量，就无法根据单个用电器来计算出共用时和电流有效值。此外，有两个电器的电流有效值完全相同，因此本方案中不采用电流有效值、峰峰值作为特征参量，仅作为监控电流状态使用。

3.1.2 对于电流相位，作为特征参量选取：

但由于没有电压互感器采集220V电压波形，故不能得到真实的电流相位值，所以将其与单片机产生的50Hz参考波进行比较，得到参考相位值。不论是电流的真实相位值（与市电220V电压波形的相位差）还是电流的参考相位值（与装置内部50Hz的相位差），如果没有相位作为特征参量，就无法进行相量计算，也就不能根据单个用电器的学习来计算出各种情况的特征值。故电流相位是必要的特征参量。

3.1.3 对于电流的各个谐波值，作为特征参量选取：

如图3所示，由于真实的电流波形是非正弦工频周期波，且问题中存在电流有效值完全相同但谐波不同的两个器，故需要先对电流波形进行快速傅立叶变换（FFT）得到各个谐波值后，结合相位进行相量计算，才能根据单个电器的特征参量学习，完成不同电器组合的快速识别。工频电流频谱图如图4所示。

图3：工频电流波形图

图4：工频电流频谱图

综上，本方案采用的特征参量为：电流参考相位θ、电流基波幅值I及各谐波幅值作为特征参量，学习单个电器数据后根据相量法计算不同组合情况的特征值，完成识别。

3.2 学习及识别方案

3.2.1 学习模式

接入单个用电器开始基础数据采集后：

（1）将50Hz参考波形和分级放大后的信号输入相位识别装置，通过测其高电平时长，得到了电流与参考50Hz波形间的参考相位，记为θ（n=1～7）。

（2）将采集到的输入信号分级放大后输入LPC54606单片机，即可通过傅里叶变换测出需要的电流基波幅值I（n=1～7）。

任意信号都可以表示成基波和谐波的叠加，而傅里叶变换可以把采样得到的波形从时域变换为频域，过滤出基波和各种频率的波形。即假设采集到的交流电流为：

通过傅里叶变换FFT计算出其交流电压为：（I为电流基波幅值）

最后，将电流相位θ、电流基波幅值I（n=1～7）获取后储入STM32F103主控芯片，完成一次单件用电器学习。

3.2.2 分析识别模式

学习过7个电器的特征参量θ、I（n=1～7）后，以用电器①、②为例，已知两个用电器的特征参量I、I、θ、θ，根据相量法可以计算出用电器①和②同时接入电网时的电流基波幅值I、φ，见图5两用电器相量图

图5：两用电器相量图

假设已知两个单件用电器的电流基波幅值I，相位电流基波幅值θ，即可通过三角函数计算出其叠加后电流的大小和相位：

若用电器增加三个，同样根据I、I、I、θ、θ、θ可以计算出电器①②；①③；②③；①②③同时接入时电流基波幅值I和相对相角φ，见图6三用电器相量图即可判别用电器组合。

图6：三用电器相量图

此外，对于电流有效值一样的①号电器和②号电器，由于其谐波、相位不同，故其特征参量I、I、θ、θ也都各不相同，使用此方法可以完成分辨。

综上所述，在已知7个单件用电器的相对相角θ、电流基波幅值I的基础上，即可通过相量法计算出理论上127种组合的值，将其作为标志参量存入识别表中。实际上接入不同的电器组合后，根据软件查表对比，就可以解算出目前用电器的接入组合，实现用电器类别的实时显示。

4 电路与程序设计

4.1 电路设计

4.1.1 整体供电

由于本装置需采用±5V电源供电，且在发挥部分要求装置在分析识别模式下的工作电流不大于15mA，因此我们首先需要将220交流电高效率地转化为±5V，且将两个PM01隔离电源进行串联，连接端作为后续整个装置的GND，可以很好地解决±5V的电源供电需求，如图7所示。

图7：电源供电

4.1.2 相位测量

由于本方案需要设计相位测量电路来读取当前电流信号与参考信号的相位。由单片机产生50Hz的方波作为参考信号，将电流信号进行放大、整形，获取与电流信号同相位的方波信号。再将两个信号进行逻辑运算，使用单片机定时器进行定时采样，从而获得相位差，如图8-10所示。

图8：放大电路

图9：整流电路

图10：相位测量

电流信号的放大方案采用OPA140搭建的放大电路对采样电阻两端的电压进行放大，OPA140具有小于10pA的输入偏置电流，能够很好地将小电流信号进行放大。

4.1.3 有效值测量

由于本方案需要对电流有效值进行采集来实现运算，因此我们需要搭建有效值检测电路进行电流有效值计算。AD637是一款完整的高精度、均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值，它提供集成电路均方根直流转换器性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。因此我们采用其作为有效值检测方案。

4.1.4 AD采样电路

由于需要对电路信号波形进行FFT运算，因此需要使用单片机片内ADC进行高速采样，因此，需要对信号添加直流偏置，使其电压范围能够在单片机ADC的电压范围内，本方案采用加法器对信号进行处理。

4.2 程序设计

如图11所示。

图11：系统程序流程图

5 测试方案与测试结果

5.1 测试结果

将用电器编号为1、2、3、4、5、6、7，其中用电器1为自制电器，用电器7为大功率电器，电流有效值为I、电流基波幅值为I、参考相位为θ，平均响应时间、平均工作电流。如表1、表2、表3、表4、表5所示。

表1：单个电器学习结果

表2：小功率电器测量（2～5）

表3：自制电器测量（1～5，1为自制电器）

表4：大功率电器测量（1～7，1为自制电器，7为大功率电器）

表5：响应时间、电流检测

5.2 结果分析

综上所示，本装置能够以极大的准确率快速识别各类小功率电器组合、大小功率电器组合、有效值相同的电器组合，均已达到设计要求，响应时间远超设计要求。

6 总结

本设计是一款具有学习功能，并能实时判断用电器类别的装置。通过对电流互感器输出的微小电流进行调理放大，该装置能够准确测量电流基波幅值I和参考相位θ，解算出127种不同组合的识别标志，当随机增减在用电器时，可以快速响应，完成大小功率用电器、自制用电器的不同组合判断。检测准确率极高，响应时间远超设计要求。此外，本装置额外增加了低功耗模式、用电器电流质量分析功能、电流波形实时显示功能和无线串口屏人机交互功能，进一步提高了作品完成度。