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主控电路包括了STMF103ZET6最小系统:复位电路、晶

更新时间:2019-03-07 19:05

  

  :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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  该对电压互感器输出电压采样,经过运放NE5532进行放大,本次设计仿线版本进行仿线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。

  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)。

  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线V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。仿线所示,输入为正弦交流信号,输出波形将负半轴取绝对值。

  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)。

  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《电子产品世界》2019年第1期第67页,欢迎您写论文时引用,并注明出处

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