蔡昕晨 李紀(jì)嫻 馮萬(wàn)晗 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053)

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居的發(fā)展也邁向了智能用電的新階段.智能供電打破了傳統(tǒng)用電方式，利用電流、電壓互感和無(wú)線傳輸?shù)奈锢碓韺?shí)現(xiàn)了對(duì)用電器和分布式能源的信息交換和精準(zhǔn)控制.

基于此，本文研制了一款帶有用電器識(shí)別、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)功能的智能供電裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用電設(shè)備的精準(zhǔn)供電和無(wú)線終端的監(jiān)控與管理.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該裝置主要分為兩大板塊：智能供電和無(wú)線終端.智能供電板塊包括電壓電流互感器、ADE7763電能計(jì)量芯片、繼電器模塊和ZigBee模塊，采用STM32F334C8T6微控制器作為中央控制器.無(wú)線終端板塊采用STM32F407ZGT6微處理器，其與外圍ZigBee模塊和觸摸液晶屏模塊相連，智能供電裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 智能供電裝置系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置的硬件設(shè)計(jì)主要包括采樣模塊、電能計(jì)量模塊、電源模塊、通信模塊等.

2.1 電壓電流采樣模塊

電壓電流采樣利用電壓、電流互感和無(wú)線傳輸?shù)奈锢碓?，由電壓互感器和電流互感器組成，其電路圖如圖2所示.圖中T1為電壓互感器，將市電按比例關(guān)系變換為低等級(jí)的二次電壓信號(hào)給ADE7763；T2為電流互感器,依據(jù)電磁感應(yīng)原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流信號(hào)給ADE7763.

圖2 采樣電路

2.2 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量采用高精度的電能計(jì)量芯片ADE7763，圖3為ADE763的外圍硬件連接圖.采樣的電壓電流信號(hào)通過(guò)差分輸入的方式接入V1P/V1N，V2N/V2P引腳.REF為基準(zhǔn)電壓的輸入、輸出引腳，在片內(nèi)集成了2.42 V+8%的內(nèi)部參考電壓，使用C11和C3為內(nèi)部參考電源去耦.CLKOUT和CLKIN之間接大小為3.579 545 MHz晶振，為ADE7763提供時(shí)鐘源.DIN，DOUT，SCLK，CE 4個(gè)引腳分別與微處理器的PA4,PA5,PA6,PA7相連完成Serial Peripheral Interface(SPI)通信.

圖3 電能計(jì)量電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用ADE7763采集用電器的電壓、電流、有功功率、視在功率、功率因數(shù)等信息，通過(guò)SPI接口與微控制器通信.微控制器對(duì)采集的信息進(jìn)行分析，識(shí)別各類(lèi)型的家用設(shè)備，再將識(shí)別結(jié)果和用電信息通過(guò)ZigBee傳輸給終端設(shè)備.此部分主要介紹ADE7763的程序設(shè)計(jì)及用電器識(shí)別程序設(shè)計(jì).

3.1 ADE7763的程序設(shè)計(jì)

ADE7763進(jìn)行寫(xiě)操作，在時(shí)鐘的下降沿時(shí)把數(shù)據(jù)移入寄存器.數(shù)據(jù)進(jìn)入串行口，在一個(gè)有限的時(shí)間間隔內(nèi)把數(shù)據(jù)從緩沖器移入片內(nèi)寄存器中.

ADE7763進(jìn)行讀操作，在下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù).這時(shí)DOUT端退出高阻抗?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)換為通過(guò)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線來(lái)傳輸數(shù)據(jù).

3.2 用電器識(shí)別程序設(shè)計(jì)

1.for (i = 1; i < (1 << 7); ++i) {

2.for (j = 0; j < 7; ++j) {

3.if (i & (1 << j)) {

4. Power += WATT[j];

5. }

6. }

7.}

其中Power為用電器排列組合的有功功率;WATT[j]為第j個(gè)設(shè)備的有功功率.

4 結(jié)論

本研究利用電壓、電流互感的物理原理和ADE7763電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)了一款帶有用電器分析、識(shí)別和監(jiān)測(cè)功能的智能供電裝置，使用電器可識(shí)別、可檢測(cè)、可控制，為智能家居的改造、升級(jí)、安全用電和提升人們的生活質(zhì)量以及節(jié)能環(huán)保提供了一種解決方案.