榮海林 姜萬(wàn)里 孫廣博 左佳旖

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250061）

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)根據(jù)電源線電流的電參量信息分析在用電器類別的裝置（2021年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽H題）。該裝置具有學(xué)習(xí)和分析識(shí)別兩種工作模式。在學(xué)習(xí)模式下，測(cè)試并存儲(chǔ)用于識(shí)別各單件電器的特征參量；在分析識(shí)別模式下，實(shí)時(shí)指示在用電器的類別。如圖1所示。

圖1：分析識(shí)別裝置框圖

要求：

（1）電器電流范圍5mA～10.0A，可包括但不限于以下電器：LED燈泡和220V燈帶、節(jié)能燈管、USB充電器（帶負(fù)載）、無(wú)線路由器、機(jī)頂盒、電風(fēng)扇、熱水壺、電磁爐。

（2）自定可識(shí)別的電器種類，總數(shù)不低于7，用序號(hào)表示。電流不大于50mA的電器數(shù)不低于5，包括一件自制電器，編號(hào)為1～5；編號(hào)為7的電器電流大于8A。

（3）隨機(jī)增減在用電器，實(shí)時(shí)顯示可識(shí)別電器是否在用和電源線上電流的特征參量，響應(yīng)時(shí)間不大于2s。特征參量的種類、性質(zhì)自定。

（4）用電阻，電容和二極管自制1號(hào)電器，其電流與2號(hào)電器相同但相位不同，且含有諧波，兩者電流差小于1mA。

（5）具有學(xué)習(xí)功能。清除作品存儲(chǔ)的所有特征參量，重新測(cè)試并存儲(chǔ)指定電器的特征參量。一種電器的學(xué)習(xí)時(shí)間不大于1分鐘。

（6）隨機(jī)增減在用電器，實(shí)時(shí)顯示可識(shí)別電器是否在用和電源線上電流的特征參量，響應(yīng)時(shí)間不大于2s。

（7）提高識(shí)別電流相同，其他特性不同的電器的能力和大、小電流電器共用時(shí)識(shí)別小電流電器的能力。

（8）裝置在分析識(shí)別模式下的工作電流不大于15mA，可以選用無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示的方式。

2 系統(tǒng)方案

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由供電模塊提供±5V電源，對(duì)用電器分析識(shí)別裝置進(jìn)行供電，電流互感器測(cè)得當(dāng)前插排上用電器輸出電流信號(hào)，經(jīng)分級(jí)放大電路后，一部分信號(hào)通過(guò)AD637芯片測(cè)出當(dāng)前電流有效值，以完成實(shí)時(shí)電流監(jiān)控；一部分與單片機(jī)發(fā)出的50Hz基準(zhǔn)波比較測(cè)出電流參考相位；一部分信號(hào)利用恩智浦LPC54606單片機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）求出電流基波幅值。已知各用電器電流相位θ、電流基波幅值I（n=1～7）后，根據(jù)識(shí)別裝置內(nèi)部計(jì)算與分析，得到127組不同的識(shí)別參量，完成所有電器組合的識(shí)別。

圖2：系統(tǒng)總體框圖

2.2 技術(shù)方案分析比較

2.2.1 微處理器

方案一：采用STM32系列ARMCortex?M1作為主控核心。STM32F103是一款32位基于Cortex-M3內(nèi)核，采用ARMv7-M架構(gòu)的處理器，具有內(nèi)部資源豐富、接口多、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因其擁有優(yōu)秀的收集處理數(shù)據(jù)的能力，所以可以很好適應(yīng)本題要求。

方案二：采用NXPARM系列LPC54606單片機(jī)作為主控核心。LPC54606是一款基于ARMCortex-M4的處理器，高達(dá)220MHz的頻率讓其擁有極高的數(shù)據(jù)處理速度，可以滿足控制要求。

綜合考慮數(shù)據(jù)處理的快速性和穩(wěn)定性，最終選擇STM32F103單片機(jī)和恩智浦LPC54606單片機(jī)共用的方式做為設(shè)計(jì)方案，通過(guò)LPC54606單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高精度運(yùn)算，通過(guò)STM32單片機(jī)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)比，保證了高響應(yīng)速度與高測(cè)量精度。

2.2.2 供電方案

方案一：使用開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行供電。目前市面上的開(kāi)關(guān)電源大多都能輕松實(shí)現(xiàn)AC220V～DC±5V的轉(zhuǎn)換，且有較高的帶負(fù)載能力。但開(kāi)關(guān)電源的空載電流為0.45mA，工作電流過(guò)大，不滿足題目要求，故不能使用此方案。

方案二：采用PM01隔離電源進(jìn)行供電。此方案具有空載損耗小，體積小，低噪聲，低紋波的優(yōu)點(diǎn)，且?guī)ж?fù)載能力達(dá)3W，滿足題目要求，但單個(gè)隔離電源只能提供+5V與GND接口，即只有正電源，需要串聯(lián)使用。

綜上所述，采用方案二的改進(jìn)版，將兩個(gè)隔離電源同時(shí)使用，輸出±5V的直流電作為整個(gè)裝置的供電，保證了整個(gè)裝置的低功耗。

3 理論分析與計(jì)算

3.1 特征參量選取

根據(jù)題目要求，需要根據(jù)電流的電參量來(lái)完成用電器的識(shí)別。故目前已知可以利用的電參量包括：工頻電流峰峰值、工頻電流有效值、電流基波幅值及各次諧波幅值大小、工頻電流相位、電流波形總諧波失真度等。

3.1.1 對(duì)于電流峰峰值、有效值參量，不單獨(dú)作為特征參量選?。?/p>

各個(gè)用電器均有較大諧波，其工作電流均是非正弦工頻周期波形且相位不同，故兩個(gè)用電器同時(shí)使用時(shí)，如果不知道相位差和各個(gè)諧波的分量，就無(wú)法根據(jù)單個(gè)用電器來(lái)計(jì)算出共用時(shí)和電流有效值。此外，有兩個(gè)電器的電流有效值完全相同，因此本方案中不采用電流有效值、峰峰值作為特征參量，僅作為監(jiān)控電流狀態(tài)使用。

3.1.2 對(duì)于電流相位，作為特征參量選?。?/p>

但由于沒(méi)有電壓互感器采集220V電壓波形，故不能得到真實(shí)的電流相位值，所以將其與單片機(jī)產(chǎn)生的50Hz參考波進(jìn)行比較，得到參考相位值。不論是電流的真實(shí)相位值（與市電220V電壓波形的相位差）還是電流的參考相位值（與裝置內(nèi)部50Hz的相位差），如果沒(méi)有相位作為特征參量，就無(wú)法進(jìn)行相量計(jì)算，也就不能根據(jù)單個(gè)用電器的學(xué)習(xí)來(lái)計(jì)算出各種情況的特征值。故電流相位是必要的特征參量。

3.1.3 對(duì)于電流的各個(gè)諧波值，作為特征參量選?。?/p>

如圖3所示，由于真實(shí)的電流波形是非正弦工頻周期波，且問(wèn)題中存在電流有效值完全相同但諧波不同的兩個(gè)器，故需要先對(duì)電流波形進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）得到各個(gè)諧波值后，結(jié)合相位進(jìn)行相量計(jì)算，才能根據(jù)單個(gè)電器的特征參量學(xué)習(xí)，完成不同電器組合的快速識(shí)別。工頻電流頻譜圖如圖4所示。

圖3：工頻電流波形圖

圖4：工頻電流頻譜圖

綜上，本方案采用的特征參量為：電流參考相位θ、電流基波幅值I及各諧波幅值作為特征參量，學(xué)習(xí)單個(gè)電器數(shù)據(jù)后根據(jù)相量法計(jì)算不同組合情況的特征值，完成識(shí)別。

3.2 學(xué)習(xí)及識(shí)別方案

3.2.1 學(xué)習(xí)模式

接入單個(gè)用電器開(kāi)始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集后：

（1）將50Hz參考波形和分級(jí)放大后的信號(hào)輸入相位識(shí)別裝置，通過(guò)測(cè)其高電平時(shí)長(zhǎng)，得到了電流與參考50Hz波形間的參考相位，記為θ（n=1～7）。

（2）將采集到的輸入信號(hào)分級(jí)放大后輸入LPC54606單片機(jī)，即可通過(guò)傅里葉變換測(cè)出需要的電流基波幅值I（n=1～7）。

任意信號(hào)都可以表示成基波和諧波的疊加，而傅里葉變換可以把采樣得到的波形從時(shí)域變換為頻域，過(guò)濾出基波和各種頻率的波形。即假設(shè)采集到的交流電流為：

通過(guò)傅里葉變換FFT計(jì)算出其交流電壓為：（I為電流基波幅值）

最后，將電流相位θ、電流基波幅值I（n=1～7）獲取后儲(chǔ)入STM32F103主控芯片，完成一次單件用電器學(xué)習(xí)。

3.2.2 分析識(shí)別模式

學(xué)習(xí)過(guò)7個(gè)電器的特征參量θ、I（n=1～7）后，以用電器①、②為例，已知兩個(gè)用電器的特征參量I、I、θ、θ，根據(jù)相量法可以計(jì)算出用電器①和②同時(shí)接入電網(wǎng)時(shí)的電流基波幅值I、φ，見(jiàn)圖5兩用電器相量圖

圖5：兩用電器相量圖

假設(shè)已知兩個(gè)單件用電器的電流基波幅值I，相位電流基波幅值θ，即可通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算出其疊加后電流的大小和相位：

若用電器增加三個(gè)，同樣根據(jù)I、I、I、θ、θ、θ可以計(jì)算出電器①②；①③；②③；①②③同時(shí)接入時(shí)電流基波幅值I和相對(duì)相角φ，見(jiàn)圖6三用電器相量圖即可判別用電器組合。

圖6：三用電器相量圖

此外，對(duì)于電流有效值一樣的①號(hào)電器和②號(hào)電器，由于其諧波、相位不同，故其特征參量I、I、θ、θ也都各不相同，使用此方法可以完成分辨。

綜上所述，在已知7個(gè)單件用電器的相對(duì)相角θ、電流基波幅值I的基礎(chǔ)上，即可通過(guò)相量法計(jì)算出理論上127種組合的值，將其作為標(biāo)志參量存入識(shí)別表中。實(shí)際上接入不同的電器組合后，根據(jù)軟件查表對(duì)比，就可以解算出目前用電器的接入組合，實(shí)現(xiàn)用電器類別的實(shí)時(shí)顯示。

4 電路與程序設(shè)計(jì)

4.1 電路設(shè)計(jì)

4.1.1 整體供電

由于本裝置需采用±5V電源供電，且在發(fā)揮部分要求裝置在分析識(shí)別模式下的工作電流不大于15mA，因此我們首先需要將220交流電高效率地轉(zhuǎn)化為±5V，且將兩個(gè)PM01隔離電源進(jìn)行串聯(lián)，連接端作為后續(xù)整個(gè)裝置的GND，可以很好地解決±5V的電源供電需求，如圖7所示。

圖7：電源供電

4.1.2 相位測(cè)量

由于本方案需要設(shè)計(jì)相位測(cè)量電路來(lái)讀取當(dāng)前電流信號(hào)與參考信號(hào)的相位。由單片機(jī)產(chǎn)生50Hz的方波作為參考信號(hào)，將電流信號(hào)進(jìn)行放大、整形，獲取與電流信號(hào)同相位的方波信號(hào)。再將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使用單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)采樣，從而獲得相位差，如圖8-10所示。

圖8：放大電路

圖9：整流電路

圖10：相位測(cè)量

電流信號(hào)的放大方案采用OPA140搭建的放大電路對(duì)采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，OPA140具有小于10pA的輸入偏置電流，能夠很好地將小電流信號(hào)進(jìn)行放大。

4.1.3 有效值測(cè)量

由于本方案需要對(duì)電流有效值進(jìn)行采集來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，因此我們需要搭建有效值檢測(cè)電路進(jìn)行電流有效值計(jì)算。AD637是一款完整的高精度、均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算任何復(fù)雜波形的真均方根值，它提供集成電路均方根直流轉(zhuǎn)換器性能，精度、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍與分立和模塊式設(shè)計(jì)相當(dāng)。因此我們采用其作為有效值檢測(cè)方案。

4.1.4 AD采樣電路

由于需要對(duì)電路信號(hào)波形進(jìn)行FFT運(yùn)算，因此需要使用單片機(jī)片內(nèi)ADC進(jìn)行高速采樣，因此，需要對(duì)信號(hào)添加直流偏置，使其電壓范圍能夠在單片機(jī)ADC的電壓范圍內(nèi)，本方案采用加法器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

4.2 程序設(shè)計(jì)

如圖11所示。

圖11：系統(tǒng)程序流程圖

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試結(jié)果

將用電器編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7，其中用電器1為自制電器，用電器7為大功率電器，電流有效值為I、電流基波幅值為I、參考相位為θ，平均響應(yīng)時(shí)間、平均工作電流。如表1、表2、表3、表4、表5所示。

表1：?jiǎn)蝹€(gè)電器學(xué)習(xí)結(jié)果

表2：小功率電器測(cè)量（2～5）

表3：自制電器測(cè)量（1～5，1為自制電器）

表4：大功率電器測(cè)量（1～7，1為自制電器，7為大功率電器）

表5：響應(yīng)時(shí)間、電流檢測(cè)

5.2 結(jié)果分析

綜上所示，本裝置能夠以極大的準(zhǔn)確率快速識(shí)別各類小功率電器組合、大小功率電器組合、有效值相同的電器組合，均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是一款具有學(xué)習(xí)功能，并能實(shí)時(shí)判斷用電器類別的裝置。通過(guò)對(duì)電流互感器輸出的微小電流進(jìn)行調(diào)理放大，該裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量電流基波幅值I和參考相位θ，解算出127種不同組合的識(shí)別標(biāo)志，當(dāng)隨機(jī)增減在用電器時(shí)，可以快速響應(yīng)，完成大小功率用電器、自制用電器的不同組合判斷。檢測(cè)準(zhǔn)確率極高，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求。此外，本裝置額外增加了低功耗模式、用電器電流質(zhì)量分析功能、電流波形實(shí)時(shí)顯示功能和無(wú)線串口屏人機(jī)交互功能，進(jìn)一步提高了作品完成度。