李成勇

(重慶工程學(xué)院 電子與物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，重慶 400056)

0　引言

隨著電子科技的飛速發(fā)展，當(dāng)今電子儀表的智能化程度與測(cè)量的精度有了進(jìn)一步的提高，本系統(tǒng)以此為研發(fā)突破點(diǎn)，利用Arduino/Genuino Mega or Mega 2560為開發(fā)環(huán)境，以ATmega 2560(Mega 2560)為主控芯片[1]，設(shè)計(jì)出單相用電器分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)SD3004模塊對(duì)采集到的用電器電參數(shù)進(jìn)行分析、處理，從而得到其類別和狀態(tài)，運(yùn)用EEPROM庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對(duì)電參數(shù)的記錄，并將其在LCD12864液晶模塊上進(jìn)行顯示。同時(shí)具有學(xué)習(xí)、記憶和識(shí)別等功能。最后，通過(guò)主控模塊、驅(qū)動(dòng)顯示模塊和信息采集模塊在單項(xiàng)監(jiān)測(cè)電路中檢測(cè)用電器的相關(guān)特征參量，通過(guò)軟硬件調(diào)控達(dá)到對(duì)精度的要求[2]。此設(shè)計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)在于線路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)美觀、操作便捷，便于推廣應(yīng)用。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)組成

根據(jù)用戶要求，此系統(tǒng)裝置具有學(xué)習(xí)功能、分析監(jiān)測(cè)功能和清除功能。當(dāng)一個(gè)陌生的用電器接入插座時(shí)，需要學(xué)習(xí)并能夠儲(chǔ)存和識(shí)別該用電器的種類和基本參數(shù)信息；當(dāng)裝置熟悉的一個(gè)用電器接入插座時(shí)，可以實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)并顯示該用電器的種類和基本參數(shù)信息；并且支持增加、刪除原始數(shù)據(jù)，操作便利快捷。因此，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)裝置以市電輸入作為電源端，SD3004采樣模塊接入插座的零線和火線，在插座上連接一個(gè)負(fù)載，然后通過(guò)SD3004對(duì)該負(fù)載進(jìn)行A/D采樣，將采樣參數(shù)發(fā)送到主控芯片進(jìn)行分析和處理，同時(shí)自動(dòng)生成任務(wù)模塊。在學(xué)習(xí)模式下，主控芯片會(huì)將采樣參數(shù)儲(chǔ)存，利用驅(qū)動(dòng)模塊控制液晶顯示參數(shù)。在分析監(jiān)測(cè)模式下，主控芯片會(huì)將采樣參數(shù)與儲(chǔ)存參數(shù)比對(duì)，比對(duì)成功后，顯示模塊顯示其特征參數(shù)。

1.2　主要模塊比較與選擇

主控芯片模塊有3種方式：

① 采用主流嵌入式控制器STM32系列作為控制平臺(tái)。STM32系列嵌入式芯片具有ARM Cortex-M3內(nèi)核。內(nèi)部資源豐富，I/O口最多可達(dá)112個(gè)，有多種通信方式，可以自由擴(kuò)展外部接口電路，資源使用方便。但這類嵌入式芯片由于寄存器太多，達(dá)到100多個(gè)，對(duì)于短期開發(fā)造成資源大面積浪費(fèi)，系統(tǒng)精度要求不高的情況下，編程相對(duì)復(fù)雜[3]。

② 采用STC89C51作為主控芯片，超強(qiáng)抗干擾能力；超大容量，最高4.2 K；超低功耗，正常工作模式，功耗4～7 mA；性價(jià)比高；但是STC89C51只支持8位運(yùn)算，128 Byte的內(nèi)部RAM，運(yùn)算速度慢，精度不高，引腳數(shù)量達(dá)不到要求，雖然可以使用擴(kuò)展功能，但是電路連接復(fù)雜，適用于教學(xué)使用[4]。

③ 采用Arduino Genuino Mega為控制芯片，比51系列單片機(jī)最大優(yōu)勢(shì)在于I/O比較多，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要多路數(shù)字輸入/輸出口，而Arduino Genuino Mega適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)本裝置的精度[5]和運(yùn)行速度要求[6]。

綜合以上分析，從功能、特點(diǎn)和性能指標(biāo)進(jìn)行比較，本設(shè)計(jì)采用TMEGA-2560嵌入式芯片作為主控芯片。

監(jiān)測(cè)模塊可以采用2種方式：

① 采用SD3003模塊，該模塊主要用于電能計(jì)量在LCD/LED上顯示，具有SOC解決方案，優(yōu)點(diǎn)是降低計(jì)量插座電路設(shè)計(jì)等復(fù)雜度，但性價(jià)比不高[7]，較復(fù)雜，不能滿足其精度要求[8]。

② 采用SD3004模塊，該模塊是SD3003模塊升級(jí)版，有效簡(jiǎn)化了計(jì)量插座電路設(shè)計(jì)等復(fù)雜度與生產(chǎn)成本。性價(jià)比高[9]，精度符合要求[10]。

綜合以上分析，本設(shè)計(jì)主要由4個(gè)模塊組成：ATMEGA-2560作為主控制模塊，加載12864-BLCD顯示模塊，同時(shí)采用由SD3004芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊。通過(guò)USB串口將程序下載到ATMEGA-2560微處理器進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集各個(gè)用電器的電壓、電流、功率和電量參數(shù)，然后用12864-BLCD顯示模塊進(jìn)行顯示。

2　理論分析與計(jì)算

2.1　理論分析

有效值計(jì)算是采樣模塊的核心部分，其中采樣計(jì)算得出的電壓有效值、電流有效值以及功率有效值是運(yùn)算的關(guān)鍵。實(shí)際的電流、電壓的瞬時(shí)值都隨時(shí)間而改變，為一個(gè)連續(xù)的波形，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)裝置的AD轉(zhuǎn)換模塊后變換成一連串的數(shù)值，該過(guò)程為離散化處理流程，是本裝置采集參數(shù)的第一個(gè)步驟。

電壓、電流的有效值表達(dá)式為[11]：

(1)

(2)

其中第1步表現(xiàn)為連續(xù)變量的積分形式，第2步為實(shí)際的離散化后的累加和形式。N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

有功功率是電能轉(zhuǎn)換為其他形式能力的電功率。平均有功功率定義[12]如下：

(3)

有功功率離散化公式[13]為：

(4)

用電量計(jì)算公式[14]為：

W=UIt，

(5)

式中，W為用電量；U為額定電壓；I為額定電流；t為工作時(shí)間，適用于任何電路。

2.2　檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

采用SD3004為檢測(cè)芯片，主要為了得到用電器的有效電壓和電流，此芯片具有校表功能，同時(shí)累計(jì)計(jì)量電能，支持提供高速輸出，檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2　檢測(cè)電路原理

2.3　特征參量設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用功率差別較大的幾種用電器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，功率是指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少，即用來(lái)描述做功快慢的物理量[15]。有助于裝置判斷用電器類別，利用程序計(jì)算此參數(shù)。

電流的大小是反映在單位時(shí)間里通過(guò)導(dǎo)體任一橫截面的電量大小，電流之所以能夠在導(dǎo)線中流動(dòng)，也是因?yàn)樵陔娏髦杏兄唠妱?shì)和低電勢(shì)之間的差別，選用此參數(shù)也是保證實(shí)驗(yàn)的重要原因[16]。

電壓是衡量單位電荷在靜電場(chǎng)中由于電勢(shì)不同所產(chǎn)生的能量差的物理量，電壓是推動(dòng)電荷定向移動(dòng)形成電流的原因，它反映了電路中能量差的大小[17]。

電量指用電設(shè)備(用電器)所需用電能的數(shù)量，根據(jù)電量的顯示可以看出該用電器的用電總和情況，特別是大功率電器，更能夠反映出其用電器用電量，此參數(shù)可利用程序計(jì)算實(shí)現(xiàn)[18]。

3　電路與程序設(shè)計(jì)

3.1　電路設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)電路如圖3所示。采用電流互感器檢測(cè)電流，以差分信號(hào)的方式輸入SD3004；電壓檢測(cè)電路如圖4所示。采用直接與負(fù)載并聯(lián)的方式拾取電壓，經(jīng)信號(hào)處理后送入SD3004第45腳。

圖3　電流檢測(cè)電路

圖4　電壓檢測(cè)電路

3.2　程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序主要由主控通信程序、學(xué)習(xí)模式程序和分析監(jiān)測(cè)模式程序組成。

利用MEGA2560為主控芯片，提取監(jiān)測(cè)模塊采集的參數(shù)，利用儲(chǔ)存功能，記錄其參數(shù)。此芯片在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中不允許采集參數(shù)，為了保證其參數(shù)的一致性，采樣過(guò)程必須初始化，其主控通信模塊程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程

首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行模式選擇，若進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，則通過(guò)電感線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，然后通過(guò)SD3004芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其存儲(chǔ)在EEPROM庫(kù)中，并通過(guò)LCD12864完成數(shù)據(jù)顯示；若進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，則從EEPROM庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)LCD12864完成數(shù)據(jù)顯示。子程序流程框圖如圖6和圖7所示，主要完成電流、功率和電壓等參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。

圖6　學(xué)習(xí)模式程序流程

圖7　分析監(jiān)測(cè)模式程序流程

利用線圈采集電路參數(shù)，當(dāng)有交流電經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，周圍將出現(xiàn)隨時(shí)間而變化的磁力線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于一個(gè)新的供能系統(tǒng)，當(dāng)形成閉合的回路時(shí)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)通過(guò)線圈的數(shù)量計(jì)算感應(yīng)電流，最后可根據(jù)電壓和電流求出功率和電量值。

4　測(cè)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)裝置制作完成，將準(zhǔn)備的用電器接入到插座上，并提前記錄用電器的額定特征參數(shù)信息。分別以學(xué)習(xí)模式和分析監(jiān)測(cè)模式對(duì)用電器的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，在學(xué)習(xí)模式下，觀察裝置是否能夠成功學(xué)習(xí)并儲(chǔ)存。在分析監(jiān)測(cè)模式下，隨機(jī)增加或減少用電器數(shù)量，觀察并對(duì)比HMI屏上顯示情況。將2種模式下顯示在HMI屏幕上的識(shí)別信息記錄備用，對(duì)比分析用電器的識(shí)別參數(shù)信息、記錄，系統(tǒng)測(cè)試效果界面如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)測(cè)試效果界面

根據(jù)測(cè)試要求，用不同的用電器采集對(duì)應(yīng)的電流、電壓、功率和電量等值，其中學(xué)習(xí)模式測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，分析檢測(cè)模式測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。用電器測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試過(guò)程滿足下列條件，測(cè)量數(shù)據(jù)有效。

① 用電器電流范圍在0.002～10 A間都可以檢測(cè)到，包括但不限于以下電器：LED燈、節(jié)能燈、USB充電器(帶負(fù)載)、無(wú)線路由器、機(jī)頂盒、電風(fēng)扇和熱水壺。

② 可識(shí)別的電器工作狀態(tài)總數(shù)不低于7，電流不大于50 mA的工作狀態(tài)數(shù)不低于5，同時(shí)顯示所有可識(shí)別電器的工作狀態(tài)。

③ 實(shí)時(shí)指示用電器的工作狀態(tài)并顯示電源線上的電特征參數(shù)，響應(yīng)時(shí)間不大于2 s。特征參量包括電流和其他參量。電器的種類及其工作狀態(tài)、參量種類用序號(hào)表示。

在學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)裝置可以學(xué)習(xí)一種新的用電器參數(shù)，并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，待該用電器與插座再次接入時(shí)，可以準(zhǔn)確地完成對(duì)該用電器的類型識(shí)別和特征參量顯示，并且支持刪除原始數(shù)功能。

在分析監(jiān)測(cè)模式下，該裝置可以隨機(jī)接入用電器類型，通過(guò)液晶屏幕顯示特征參數(shù)信息，盡管與額定參數(shù)有一定誤差，由于考慮到用電器在使用時(shí)參數(shù)在不斷變化，因此可忽略此誤差。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)要求的功能，同時(shí)滿足精度要求，利用這樣的裝置不僅把電特征參量以科學(xué)的方式顯示出來(lái)，而且還符合智能生活的發(fā)展需求。

由上述測(cè)試分析結(jié)果可知，實(shí)際數(shù)據(jù)與顯示數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但是誤差都在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，主要誤差來(lái)源于傳感器的靈敏度和工藝差異問(wèn)題。

表1學(xué)習(xí)模式測(cè)試數(shù)據(jù)

用電器類別(學(xué)習(xí)模式)額定功率/測(cè)試值/W額定電流/測(cè)試值/A額定電壓/測(cè)試值/V電量值(累加)/(W/h)學(xué)習(xí)與判定電鉆500/494．002．2/2．123220/232．72596．00成功/正確電烙鐵35/34．000．16/0．156220/223．973120．00k成功/正確手機(jī)充電器6/5．000．027/0．022220/225．696183．00k成功/正確

表2分監(jiān)模式測(cè)試數(shù)據(jù)

用電器類別(分監(jiān)模式)額定功率/測(cè)試值/W額定電流/測(cè)試值/A額定電壓/測(cè)試值/V電量值(累加)/(kW/h)判定正誤熱水壺1350/1347．006/5．885220/232．983276．00正確電吹風(fēng)1200/1169．005．5/5．321220/218．123389．00正確剃須刀8/7．000．03/0．033220/226．568406．00正確電蚊香5/4．000．02/0．018220/243．365415．00正確小電機(jī)6/6．000．03/0．268220/240．214436．00正確電動(dòng)牙刷2/1．000．01/0．013220/226．872493．00正確床頭小燈0．4/0．400．002/0．002220/218．412572．00正確

5　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)系統(tǒng)裝置性能指標(biāo)的需要，進(jìn)行了電路硬件設(shè)計(jì)，采用了模塊設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)分成多個(gè)模塊，再分別以模塊的不同功能設(shè)計(jì)程序。通過(guò)比較當(dāng)前工程領(lǐng)域?qū)@些模塊電路的不同設(shè)計(jì)思想，根據(jù)實(shí)際需要，選擇最優(yōu)的方案進(jìn)行制作系統(tǒng)模型。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行多次調(diào)試和分析，參數(shù)達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)所提出的各項(xiàng)指標(biāo)。在以后的系統(tǒng)優(yōu)化中，將會(huì)對(duì)其采用更加先進(jìn)的嵌入式控制器系統(tǒng)，使誤差范圍進(jìn)一步變小，爭(zhēng)取發(fā)揮本分析檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將其完善得更好。

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